Contribution à l’étude de l’allocation des
photoassimilats récents dans la plante et la rhizosphère
chez une graminée pérenne (Lolium perenne L.)
Stéphane Bazot
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Stéphane Bazot. Contribution à l’étude de l’allocation des photoassimilats récents dans la plante et
la rhizosphère chez une graminée pérenne (Lolium perenne L.). Ecologie, Environnement. Institut
National Polytechnique de Lorraine - INPL, 2005. Français. �tel-00137743�
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Procédés Produits Environnement
Institut National Polytechnique de Lorraine
Ecole National Supérieur d’Agronomie et des Industries Alimentaires
Unité Mixte de Recherche INRA-INPL Agronomie Environnement Nancy Colmar
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Thèse
Pour obtenir le grade de
Docteur de l’INPL
Discipline : Sciences Agronomiques
présentée et soutenue publiquement
par
Stéphane Bazot
le 2 juin 2005
Contribution à l'étude de l’allocation des
photoassimilats récents dans la plante et la rhizosphère
chez une graminée pérenne
(Lolium perenne L.)
Jury :
M. Jean-Bernard Cliquet
M. Jean-François Soussana
M. Herbert Blum
M. Daniel Epron
M. Christophe Nguyen
M. Christophe Robin
Maître de conférence, Université de Caen
Directeur de recherche INRA, Clermont Ferrand
Chercheur, ETH Zurich
Professeur, Université Henri Poincaré
Chargé de recherche INRA, Nancy
Chargé de recherche INRA, Nancy
Rapporteur
Rapporteur
Examinateur
Examinateur
Examinateur
Examinateur
Seul je n’aurais pu réaliser le travail présenté dans cette thèse. A toutes les étapes de sa mise en œuvre, de
nombreuses personnes y ont contribué. Je tiens donc à les remercier tout particulièrement et très
chaleureusement.
Ce travail a été réalisé au sein de l’UMR INRA-INPL Agronomie-Environnement de Nancy. C’est donc au
directeur de ce laboratoire, Sylvain Plantureux que vont mes premiers remerciements.
D’autre part, sans directeur de thèse, il n’y aurait pas de thèse! Je remercie donc tout particulièrement
Christophe Robin, mon directeur de thèse de m’avoir avant tout fait confiance, de m’avoir confié ce travail de
thèse et fait découvrir le métier passionnant qu’est celui de chercheur. Je te remercie, Christophe, pour ton
suivi, ta disponibilité, ton aide, et ton implication dans mon travail ; tu étais là avec moi sur le terrain à faire de
la Suisse un vrai gruyère avec une machine quelque peu « capricieuse »!!! Merci également de m’avoir permis
d’être impliqué dans des collaborations (ETH Zurich) et dans un programme Européen (CONSIDER) mais aussi
de m’avoir donné l’opportunité de participer à de nombreux workshops et colloques afin de présenter mon
travail.
Je remercie également Christophe Nguyen pour m’avoir initié aux tests Glucose 14C, ainsi que pour ses conseils
et son aide pour les analyses statistiques, ainsi que Emile Benizri pour ses explications concernant les
étalements bactériens et les tests Biolog®. Je tiens également à remercier Chhoy Vong pour ses conseils avisés
pour la manipulation des isotopes radioactifs et du compteur à scintillation liquide pas toujours simple.
Un immense merci, à Herbert Blum et Manuel Schneider, chercheurs à l’ETH de Zurich, pour leur patience,
leur aide et leurs conseils lors de nos péripéties sur le dispositif FACE Suisse. Merci Herbert pour vos relectures
de l’article sur l’expérimentation FACE.
Merci à Juha Mikola, chercheur à l’Université de Jyväskylä en Finlande. Merci de votre participation active à
mon travail, sans vous l’expérimentation défoliation ainsi que la rédaction de l’article défoliation auraient été
beaucoup moins enrichissantes, merci également de votre accueil lors de notre visite en Finlande.
Toute ma gratitude va également à Claude Bazard, chargé de recherche à l’INRA de Mirecourt. Grâce à vous,
la gestion de mes parcelles de ray grass de l’expérimentation défoliation a été beaucoup plus simple. Merci pour
votre convivialité et votre aide technique.
Merci à Pascale Maillard, chargée de recherche à l’INRA de Champenoux pour son aide dans la
compréhension des calculs concernant les isotopes stables du carbone (13C).
Je tiens également à remercier les membres de mon comité de pilotage pour leurs remarques et leurs conseils.
Merci à Jérome Balesdent, directeur de recherche INRA au CEA de Cadarache ainsi qu’à Jean Marc Guehl,
directeur de recherche à l’INRA de Champenoux.
J’exprime toute ma gratitude à Jean Bernard Cliquet, maître de conférence à l’Université de Caen et Jean
François Soussana, directeur de recherche à l’INRA de Clermont Ferrand pour avoir accepté de juger mon
manuscrit en tant que rapporteur. Merci à Daniel Epron, président du jury, professeur à l’Université Henri
Poincaré à Nancy d’avoir bien voulu juger ce travail en tant qu’examinateur.
Une part des analyses effectuée pendant ce travail n’aurait pas été possible sans l’aide précieuse de Patrice
Marchal, technicien au laboratoire. Un grand merci également à Dominique Thiery pour la fabrication des
pots de culture, des containers de marquage et son aide sur le terrain ainsi qu’à Michel Philbert pour les
lyophilisations.
Par ailleurs trois étudiants ont participé activement à la réalisation de ma thèse lors de leur stage. Lina Ulff,
lors de son stage de fin d’étude, m’a secondé efficacement dans la récolte, l’analyse des échantillons et
l’interprétation des résultats de l’expérimentation FACE. Jennifer Tavernier, lors de son stage de DEA a
contribué activement à la mise en place de l’expérimentation défoliation et l’analyse des échantillons.
Finalement Pierre Louis Bonicoli, lors de son stage de classe préparatoire d’entrée à l’ENSAIA a également
participé significativement à l’analyse des échantillons de l’expérimentation défoliation.
Il m’est également impossible d’oublier la patience d’ange de Thamara Olivier, secrétaire du laboratoire, pour
la mise en place des remboursements de mes différents déplacements ! Mais aussi merci pour votre grande
gentillesse et votre disponibilité lors de la résolution des différents problèmes administratifs. Merci également à
Anne Marie Claude et Amina Gautier, techniciennes au laboratoire qui m’ont également facilité le passage des
commandes et la gestion des produits.
Merci également aux autres membres du laboratoire Agronomie –Environnement qui ont participé de près ou de
loin à mon travail de thèse.
Les activités d’enseignement ont également occupé une part importante de ma thèse. Je remercie infiniment
Dominique Morlot, professeur à L’IUT de Yutz-Thionville, mon tuteur de monitorat. Merci de m’avoir fait
découvrir les joies de l’enseignement. Votre gentillesse, votre aide, vos conseils aussi bien pédagogiques que
scientifiques m’ont été précieux. Je remercie également vivement l’ensemble de l’équipe pédagogique de l’IUT
pour leur accueil. Au-delà de mon tuteur, c’est au CIES de Lorraine que je suis reconnaissant. Merci pour les
formations et les journées de détente offertes.
J’exprime également toute ma sympathie à Odile et Sophie. Odile ma « co-bureautaire » et amie, et Sophie amie
thésarde voisine souvent en visite pour mon plus grand plaisir. Merci à Seb et PE pour les bonnes soirées et les
parties de tarots ! Je tiens à vous remercier pour votre amitié et votre bonne humeur pendant ces trois années !
Toutes ma gratitude va également aux anciens et nouveaux thésards et post-doc de la « thésards vallée » !!
Merci à Anne-Laure, Benoît, Boris, Fabienne, Fred, Karine, Robert, Romain, Sébastien, Minh, Vincent…
Je dois également beaucoup à mes parents, mes grands-parents pour leur soutien moral et financier !!! lors de
mes années d’études (ouf j’en suis enfin venu à bout !!). Merci infiniment à Jeannette et Roger, vous avez
également été toujours présents et à l’écoute pendant ces trois années de thèse. Merci également à tous les
autres que je ne cite pas ici, ma famille, mes amis…
Enfin, le dernier mot est pour toi Gaëlle, tout au long de cette thèse, tu as participé à mes moments
d’enthousiasme mais aussi de doute et d’incertitude. Tu as toujours été là pour m’écouter patiemment, me
rassurer, me donner confiance. Merci infiniment…
INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................. 11
A. SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE .................................................................................. 14
I. Cycle du carbone et importance des écosystèmes prairiaux ....................................... 14
1. La plante : un pourvoyeur de carbone dans la rhizosphère ........................................... 15
2. Place des graminées pérennes dans le bilan de carbone des sols .................................. 16
II. Les transferts de carbone dans le continuum atmosphère plante sol ....................... 17
1. La répartition des assimilats carbonés dans la plante .................................................... 18
1.1. Les relations source-puits ........................................................................................ 18
1.2. Modification des relations source-puits .................................................................. 19
2. Rhizosphère et rhizodéposition ..................................................................................... 21
2.1. La rhizosphère ......................................................................................................... 21
2.2. La rhizodéposition ................................................................................................... 22
2.2.1. Composition : .................................................................................................... 22
2.2.2. Quantification ................................................................................................... 23
2.2.3. Localisation ....................................................................................................... 24
2.3. Rôle trophique des rhizodépôts ............................................................................... 24
2.3.1. Manifestations de l’effet rhizosphère................................................................ 25
2.3.2. Conséquences de l’effet rhizosphère ................................................................ 26
Figure 4: Représentation schématique des effets positifs et négatifs directs et indirects des
rhizodépôts sur la croissance de la plante (d’après Jones et al., 2003). ........................... 27
3. Outils d’étude des transferts de carbone dans le continuum atmosphère-plante-sol ..... 27
3.1. Traçages isotopiques .............................................................................................. 28
3.1.1. Marquage court et marquage long des photoassimilats .................................... 29
3.1.2. Abondance naturelle en 13C .............................................................................. 30
3.2. Les variables indicatrices de la rhizodéposition ...................................................... 30
3.2.1. Approche phénotypique d’étude des micro-organismes ................................... 31
3.2.2. Approche génétique d’étude des micro-organismes ......................................... 31
3.3. Couplage des techniques isotopiques et des techniques de biologie moléculaire ... 32
3.4. Utilisation des micro-organismes bio-senseurs ....................................................... 33
III. Facteurs modulant les transferts de carbone dans le système plante-sol-microorganismes ........................................................................................................................... 35
1. Le dioxyde de carbone ................................................................................................... 37
5
1.1. Activité photosynthétique, production de biomasse et CO2 .................................... 37
1.2. Sorties de carbone de la plante ................................................................................ 39
1.2.1. La respiration .................................................................................................... 39
1.2.2. La rhizodéposition ............................................................................................ 39
1.3. Les communautés microbiennes ............................................................................. 41
2. La défoliation ................................................................................................................. 42
2.1. La défoliation affecte la répartition du carbone dans la plante ............................... 42
2.2. La défoliation affecte les entrées de carbone dans le sol ........................................ 43
2.2.1. Augmentation de la rhizodéposition suite à la défoliation................................ 43
2.2.2. Aucun effet de la défoliation sur la rhizodéposition ......................................... 44
2.2.3. Diminution de la rhizodéposition...................................................................... 45
3. L’azote ........................................................................................................................... 46
3.1. Répartition des assimilats et production de biomasse ............................................. 46
3.2. Disponibilité en azote et rhizodéposition ................................................................ 46
3.3. Interactions carbone-azote....................................................................................... 47
B. OBJECTIFS DE LA THESE............................................................................................. 49
C. MATÉRIELS ET MÉTHODES ......................................................................................... 51
I. Matériel végétal ............................................................................................................... 51
II. Marquage des parties aériennes des plantes au 14CO2 ou au 13CO2.......................... 51
2.1. Séparation hermétique du compartiment souterrain ................................................... 51
2.2. Déroulement du marquage : les étapes clés ................................................................ 54
2.2.1. Production de 14CO2 et de 13CO2 dans l’atmosphère........................................... 54
2.2.2. Maintien de l’activité spécifique dans la chambre ............................................... 54
2.2.3. Fin du marquage ................................................................................................... 56
III. Marquage des parties aériennes des plantes au 15NH3.............................................. 56
IV. Récolte ........................................................................................................................... 57
V. Analyses........................................................................................................................... 59
5.1 Analyses du C de la biomasse microbienne : technique d’extraction fumigation ....... 59
5.1.1. Principe................................................................................................................. 59
5.1.2. Pré-extraction ....................................................................................................... 59
5.1.3. Fumigation des échantillons ................................................................................. 60
6
5.1.4. Extraction des échantillons fumigés et des échantillons non fumigés ................. 60
Figure 12 : Représentation schématique de la pré extraction, fumigation extraction (Vance
et al., 1987).5.2. Analyse du carbone total ........................................................................ 61
5.2. Analyse du carbone total ............................................................................................ 62
5.2.1. Poudres des échantillons végétaux et de sol......................................................... 62
5.2.2. Solutions ............................................................................................................... 62
5.3. Analyse des concentrations en glucides totaux dans les tissus végétaux ................... 63
5.4. Analyse du 14C ............................................................................................................ 63
5.4.1. Echantillons végétaux .......................................................................................... 63
5.4.2. Echantillons de sol ............................................................................................... 63
5.4.3. Echantillons liquides ............................................................................................ 64
5.4.4. Expression des résultats ....................................................................................... 64
5.5. Analyse du carbone 13 et de l’azote 15 ...................................................................... 65
D.
CONTRIBUTION
DU
CARBONE
NOUVELLEMENT
ASSIMILÉ
A
LA
RHIZODÉPOSITION ............................................................................................................. 68
I. Matériel et méthodes ....................................................................................................... 70
1.1. Conditions de culture .................................................................................................. 70
1.1.1. Le sol .................................................................................................................... 70
1.1.2. Les plantes ............................................................................................................ 70
1.2. Dispositif expérimental............................................................................................... 70
1.2.1. Dispositifs de culture ............................................................................................ 70
1.2.2. Culture des plantes ............................................................................................... 72
1.3. Marquage long des parties aériennes au 14C et au 13C et récolte ................................ 72
1.4. Expression des résultats .............................................................................................. 73
1.5. Analyses statistiques ................................................................................................... 74
II. Résultats .......................................................................................................................... 76
2.1. Production de biomasse .............................................................................................. 76
2.2. Répartition du carbone dans la plante et dans le sol ................................................... 76
2.2.1. Répartition du carbone à la fin de chaque marquage : 14C lors du premier
marquage et 13C lors du second marquage ..................................................................... 76
2.2.2. Répartition du carbone 13 et du carbone 14 à la fin du second marquage ........... 77
2.3. Contribution des deux sources de carbone à la rhizodéposition ................................. 78
7
2.4. Biomasse microbienne ................................................................................................ 80
III. Discussion ...................................................................................................................... 81
3.1. Répartition du carbone dans la plante......................................................................... 81
3.2. Contribution du carbone récemment assimilé à la rhizodéposition ............................ 82
IV. Conclusion ..................................................................................................................... 86
E. CONSÉQUENCES DE L’ÉLÉVATION DE LA CONCENTRATION EN CO2
ATMOSPHÉRIQUE SUR LA RÉPARTITION DES PHOTO-ASSIMILATS RÉCENTS
ET LA RHIZODÉPOSITION CHEZ LOLIUM PÉRENNE ................................................ 88
I. Matériels et méthodes ..................................................................................................... 90
1.1. Dispositif expérimental............................................................................................... 90
1.2. Mise en place de l’essai .............................................................................................. 90
1.3. Marquage des parties aériennes au 14CO2 et au 15NH3 et récolte .............................. 92
1.4. Mesure de la minéralisation du carbone total et du carbone 14 dans le sol adhérent . 93
1.5. Expression des résultats du marquage à l’azote 15 .................................................... 93
1.6. Analyses statistiques ................................................................................................... 94
II. Résultats .......................................................................................................................... 95
2.1. Production de biomasse végétale ................................................................................ 95
2.2. Allocation de carbone 14 et de l’azote 15 au compartiment souterrain ..................... 96
2.3. Concentrations en glucides totaux dans les organes végétaux ................................. 100
2.4. Quantités de carbone dans la biomasse microbienne ............................................... 101
2.5. Cinétique de minéralisation du carbone total et des composés organiques 14C (C
rhizodéposé et turnover de la biomasse microbienne marquée) dans le sol adhérent ..... 101
III. Discussion .................................................................................................................... 105
3.1. Production de biomasse et répartition des photo-assimilats dans le système plante-sol
......................................................................................................................................... 105
3.2. Concentration en carbone total du sol et devenir des photoassimilats récents dans la
rhizosphère....................................................................................................................... 108
3.3. Répartition de l’azote 15 dans la plante et rhizodéposition azotée........................... 109
IV. Conclusion ................................................................................................................... 110
8
F. INFLUENCE DE LA DÉFOLIATION SUR LA RÉPARTITION DES ASSIMILATS
DANS LA PLANTE ET LES TRANSFERTS DE CARBONE VERS LA RHIZOSPHÈRE
................................................................................................................................................ 113
I. Matériels et méthodes ................................................................................................... 116
1.1. Dispositif expérimental............................................................................................. 116
1.2. Echantillonnages ....................................................................................................... 116
1.3. Analyses sur les plantes et le sol. ............................................................................. 117
1.4. Analyses sur le compartiment microbien ................................................................. 117
1.4.1. Evaluation de l’activité microbienne et de la disponibilité en C pour la biomasse
microbienne .................................................................................................................. 118
1.4.2. Dénombrement des bactéries cultivables du sol ................................................ 118
1.4.3. Analyse des aptitudes cataboliques des communautés microbiennes (Biolog®) 119
1.5. Analyse de la communauté de nématodes ................................................................ 120
1.6. Analyses statistiques ................................................................................................. 120
II. Résultats ........................................................................................................................ 121
2.1. Production de biomasse végétale .............................................................................. 121
2.2. Concentrations en carbone total, azote total des organes végétaux et en glucides
totaux dans les racines ..................................................................................................... 122
2.3. Concentration en carbone et en azote du sol ............................................................ 124
2.4. Compartiment microbien .......................................................................................... 125
III. Discussion .................................................................................................................... 129
3.1. La défoliation modifie la répartition de carbone dans la plante ............................... 129
3.2. La disponibilité en carbone et en azote dans la rhizosphère n’est pas modifiée par la
défoliation ........................................................................................................................ 130
IV. Conclusion ................................................................................................................... 132
G. CONCLUSIONS GÉNÉRALES ET PERSPECTIVES.................................................. 133
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES............................................................................. 137
FIGURES .............................................................................................................................. 159
TABLEAUX ........................................................................................................................... 164
PHOTOGRAPHIES .............................................................................................................. 166
9
ANNEXES ............................................................................................................................. 167
10
Introduction
INTRODUCTION GENERALE
Le sol est le plus souvent un milieu très hétérogène en raison de sa composition et de l'activité
biologique qui s'y déroule. Cette activité biologique dépend notamment du carbone entrant
dans le sol depuis la plante. En effet, selon la zone de sol considérée et la composition des
matières organiques qui s'y trouvent, les organismes vivants du sol opèrent des
transformations de nature et d'intensité diverses influençant ainsi la qualité des sols. Le
développement et l'activité de ces organismes, en particulier les micro-organismes, sont
souvent limités par la disponibilité en carbone organique facilement assimilable. Ainsi, la
plante et les couverts végétaux jouent un rôle majeur dans l'activité biologique du sol, en
alimentant le sol en C organique. Les débris végétaux (litières de parties aériennes, racines en
décomposition) constituent une zone de fortes activités biologiques (« hot spot ») appelée
« détritusphère » (Stemmer et al., 1999) au même titre que le volume de sol entourant les
racines vivantes, la rhizosphère. Ce terme a été introduit par Hiltner (1904) qui avait constaté
une plus forte densité de micro-organismes dans cette zone à proximité des racines vivantes
que dans le reste du sol. La rhizosphère est un milieu extrêmement complexe, où s'opèrent de
multiples interactions entre la plante, le sol et les organismes telluriques. Sous l'influence du
fonctionnement de la racine, la rhizosphère est caractérisée par des conditions abiotiques et
biotiques particulières, qui diffèrent par conséquent de celles du sol non-rhizosphérique :
excrétion de protons conduisant à des acidifications micro-locales, absorption d'eau et de
minéraux modifiant les flux de masse et les équilibres hydriques et ioniques, modification des
propriétés mécaniques du sol et des pressions partielles en CO2 et O2 par la croissance et les
activités racinaires et microbiennes... La libération de composés organiques ou
« rhizodéposition » (terme défini par Shamoot et al., 1968) représente :
-
un apport annuel au sol de C organique non négligeable, estimé selon les études entre
710 et 1020 kg C ha-1 an-1 sous une culture de blé (Swinnen et al., 1994b)
-
un coût énergétique significatif pour la plante puisqu'il est estimé que le flux de
rhizodéposition représente de 5 à 15% de l'assimilation nette de carbone (Swinnen et
al., 1994 a & b), avec un extrême à 40% (Johansson, 1992 ; Whipps, 1987).
Ces composés organiques libérés par les racines vivantes sont désignés sous le terme
générique de « rhizodépôts ». Leur quantité et leur composition varient en fonction de
11
Introduction
nombreux facteurs comme le stade de développement des plantes, la zone racinaire
considérée et les paramètres environnementaux (Curl et Truelove, 1986). Essentiellement
composés de glucides simples, d'acides aminés et organiques et de polysaccharides (Grayston
et al., 1996), ils ont un rôle trophique majeur car ils servent de substrat pour les microorganismes du sol. De plus, certains rhizodépôts en faible concentration sont des signaux
moléculaires et participent ainsi à la structuration des communautés microbiennes du sol.
Bien que la rhizosphère ne représente le plus souvent qu'une très faible fraction du volume
total du sol (2 à 3% selon Coleman et al., 1978), les micro-organismes étant le moteur du
fonctionnement des sols, la stimulation du développement microbien par les rhizodépôts
confère des enjeux agro-environnementaux importants aux recherches conduites sur la
rhizosphère. Ainsi stimulées, les populations microbiennes du sol influencent l'état sanitaire
des plantes (stimulation du développement de bactéries PGPR; Bally et al., 1999), la
biodégradation des pesticides dans le sol (Fang et al., 2001b) et la bio-disponibilité en
minéraux (Clarholm, 1985).
Ainsi, comprendre et quantifier la rhizodéposition, processus clé du fonctionnement
rhizosphérique participe à la compréhension du fonctionnement des sols sous couvert naturel
ou cultivé et à la gestion durable de leurs qualités agro-environnementales. La mesure de la
rhizodéposition dans des conditions écologiques et agronomiques réalistes permettrait de
compléter les bilans de C des plantes et des écosystèmes, en vue, par exemple, d'évaluer le
rôle de la rhizosphère et des sols dans les changements climatiques en tant que puits de
carbone.
Notre travail de thèse s'inscrit dans la thématique de recherche de l'équipe « Rhizosphère » de
l’Unité Mixte de Recherche « Agronomie Environnement » INPL (ENSAIA)-INRA Nancy
Colmar. Le programme vise à mieux comprendre, quantifier et modéliser la
rhizodéposition de plantes d'intérêt agronomique en vue de déterminer leur conséquence
sur la disponibilité en N et en S pour la plante. Ainsi, des travaux récents ont porté sur la
quantification de la respiration rhizosphérique (Todorovic, 2000), les interactions entre la
rhizodéposition et la disponibilité en azote minéral (Henry et al., 2005) et en soufre
(Dedourge et al., 2004) dans la rhizosphère, les relations entre la photosynthèse, l'allocation
de C aux racines et la rhizodéposition chez le maïs (Todorovic et al., 2001; Marchand et al.,
2005).
12
Introduction
Les travaux de l'équipe privilégient une démarche intégrée, mettant en relation le
fonctionnement de la plante entière et la rhizodéposition. Ces études ont toujours concerné
des plantes annuelles.
A la suite de ces travaux, nous avons opté pour la même démarche consistant à expliciter les
transferts de C récent vers la rhizosphère en relation avec le fonctionnement de la plante
entière chez une plante fourragère pérenne, le ray grass anglais (Lolium perenne L.) et ce,
pour plusieurs raisons :
-
chez une plante pérenne, il est probable que le carbone mis en réserve dans les organes
de la plante contribue au pool de carbone libéré par les racines (rhizodépôts). Cet
aspect reste encore peu étudié et pourrait contribuer à améliorer la connaissance sur
les flux de rhizodéposition qui sont appréhendés le plus souvent sur des plantes
annuelles.
-
c'est une espèce d'intérêt agronomique représentative des prairies à gestion intensive,
soumise à des interventions agronomiques comme la fertilisation et la fauche ou la
pâture. Les conséquences de ces interventions sur les flux de C dans le système plantesol sur des plantes se développant in situ restent à préciser.
-
Il s'agit d'une plante modèle intéressante pour étudier le rôle de la rhizosphère dans les
changements climatiques en tant que puits de carbone. Cette espèce est souvent
implantée sur des dispositifs de longue durée installés dans des écosystèmes prairiaux
conduits de manière intensive.
Dans la première partie du manuscrit, nous proposons une analyse bibliographique, visant à
établir un bilan des connaissances actuelles sur les transferts de C dans le continuum
atmosphère-plante-sol, la rhizodéposition et les principaux facteurs modulant ces flux. Ce
bilan permettra de dégager les principales hypothèse et d'étayer les objectifs de la thèse. Nous
présentons ensuite les dispositifs, méthodes et matériels utilisés dans cette étude. Enfin, les
principaux résultats sont présentés puis discutés. Une conclusion générale synthétisant le
travail et ses perspectives est proposée en fin de document.
Ce travail a permis jusqu’à présent la rédaction de 2 articles et de 5 communications dans des
colloques et workshops internationaux (Annexe 1).
13
Synthèse bibliographique
A. SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE
I. Cycle du carbone et importance des écosystèmes prairiaux
Afin de comprendre l’intérêt d’étudier les transferts de carbone depuis la plante vers le sol, il
est nécessaire de situer ce travail dans un contexte plus large présentant de manière générale
les principales caractéristiques du cycle du carbone ainsi que les principales modifications
observées au cours des dernières années suite au changement global.
La rhizosphère constitue un maillon du cycle du carbone. Son rôle a longtemps été sous
estimé du fait de son petit volume (quelques mm3 de sol entourant les racines) et de la
difficulté à la définir. Néanmoins dans les zones où la végétation domine (forêts, prairies,
cultures), la rhizosphère peut représenter un volume non négligeable de sol dépendant de la
biomasse et de la densité racinaire, par exemple, jusqu’à 100% des premiers centimètres des
sols prairiaux.
Les principaux stocks de carbone sont présents dans l’atmosphère, l’océan et les écosystèmes
terrestres (Figure 1).
Utilisation de combustibles
fossiles et déforestation
Figure 1 : Flux annuels et stocks de carbone en giga-tonnes (milliards de tonnes de carbone) (Figure tirée de
"L'Avenir Climatique", d'après GIEC, 1996). L'atmosphère contient 750 giga tonnes (Gt) de carbone, valeur
calculée à partir de la concentration moyenne annuelle au pôle sud. L’océan renferme 39973 Gt de carbone. Les
sols renferment 1580 Gt, alors que la végétation qui les recouvre renferme seulement 610 Gt de carbone.
14
Synthèse bibliographique
Une des conséquences principales du changement global est un déséquilibre du cycle du
carbone. La concentration en CO2 atmosphérique augmente très rapidement depuis la
révolution industrielle (Gammon et al., 1985). Elle est actuellement de 360 vpm, et des
estimations annoncent une concentration de 550 vpm d’ici les années 2050. La déforestation
et l’utilisation des énergies fossiles sont les principales responsables de cet accroissement. Les
émissions anthropiques de dioxyde de carbone libèrent 7.5 Gt de C par an. Parmi ces 7.5 Gt,
différents compartiments absorbent ce C et le stockent. On appelle ces compartiments des
puits de carbone. Trois Gt et demi sont absorbées par l’atmosphère, 2 Gt C sont retrouvées
dans les océans et environ 2 Gt C sont considérées comme « puits manquant » de carbone
(Scharpenseel, 1993 ; Amthor, 1995). Le stockage de carbone dans les écosystèmes terrestres
(végétation et sol), en réponse à l’élévation des teneurs en CO2 atmosphérique apparaît
comme étant ce puits manquant (Gifford, 1994). Au niveau des sols, en fonction de leur mode
d’occupation, les stocks de carbone peuvent varier. Ainsi, en France, pour une épaisseur de
sol de 30cm, les stocks les plus élevés (100tC/ha) sont présents dans les sols d’alpage
d’altitude, et dans les sols de forêts ou de prairies (70 à 80 tC/ha). En revanche les stocks sont
moindres dans les sols cultivés, notamment dans les sols de vigne (Robert et Saugier, 2003).
1. La plante : un pourvoyeur de carbone dans la rhizosphère
Le carbone contenu dans la végétation représente presque autant que celui stocké dans
l’atmosphère sous forme de CO2. La plante constitue un pourvoyeur de carbone pour le sol.
On peut distinguer différentes voies d’entrée du carbone dans le sol depuis la plante :
-
les parties aériennes de la plante tombent au sol et se décomposent, elles enrichissent
la matière organique : la chute de litière (60 à 70% de la matière organique entrant
dans le sol, Grayston et al., 1996);
-
du carbone organique est libéré dans la rhizosphère par les racines vivantes de la
plante : la rhizodéposition ;
-
des fragments de racines entrent en sénescence et se décomposent dans le sol : le
renouvellement racinaire.
La rhizodéposition et le renouvellement racinaire représentent de 30 à 40% de la
matière organique entrant dans le sol (Grayston et al., 1996).
15
Synthèse bibliographique
En comparaison avec la rhizodéposition et le renouvellement racinaire, les voies d’entrée de
carbone dans le sol depuis la litière sont largement étudiées, ce, pour différents types
d’écosystèmes (Kuzyakov et Domanski, 2000). Les définitions de la rhizodéposition sont
parfois confuses dans la littérature. En effet, selon les auteurs le renouvellement racinaire est
inclus ou non dans la rhizodéposition. Or, le renouvellement racinaire ne fait pas partie de la
rhizodéposition car l’échelle de temps à laquelle le carbone est libéré dans le sol est plus
longue. De plus, au sens strict, la rhizodéposition concerne uniquement les composés
organiques libérés par les racines vivantes. C’est cette définition que nous adoptons dans
notre travail qui porte sur les transferts du carbone récent à la rhizosphère.
2. Place des graminées pérennes dans le bilan de carbone des sols
Du fait de leur étendue (25% de la surface émergée du globe), le sol des prairies peut
présenter un stock de carbone majeur, contribuant de manière significative à la séquestration
du carbone. La majorité des prairies ne sont plus des prairies naturelles mais le résultat de
l’activité agricole. Ces prairies semi-naturelles sur sol fertile sont souvent dominées par le ray
grass pérenne (Lolium perenne L.) et le trèfle blanc (Trifolium repens L.).
Les graminées pérennes constituent un bon modèle d’étude des transferts de carbone vers le
sol mais restent néanmoins moins étudiées que les plantes annuelles. Elles libèrent une
proportion plus importante du carbone fixé que les plantes annuelles (Grayston et al., 1996).
Chez ce type de plante les entrées de carbone dans le sol sont cycliques, correspondant aux
périodes de croissance des racines (printemps et été) suivi d’un arrêt de la croissance racinaire
et de la décomposition des tissus racinaires en hiver (Whipps, 1990). Les entrées de carbone
dans le sol vont dépendre de la part de carbone mis en réserve dans les tissus racinaires,
notamment pendant l’hiver (Whipps, 1990). Le système racinaire des plantes annuelles se
décompose après récolte alors que celui des plantes pérennes est continuellement renouvelé.
De plus, du fait d’une plus longue période de croissance, les graminées pérennes présentent
une allocation de carbone au compartiment souterrain plus complexe. Cette allocation dépend
de nombreux facteurs (défoliation, température…) engendrant des variations dans la taille du
système racinaire et donc des fluctuations de la quantité de carbone libérée par les racines
(Delting et al., 1979 ; Warembourg et Paul, 1977). Chez les graminées pérennes, plus encore
que chez les plantes annuelles, ce n’est pas seulement la quantité de résidus issus de la
plante mais également la distribution du carbone assimilé dans le temps et dans l’espace
16
Synthèse bibliographique
(cycles nycthéméraux, saisonniers, variations annuelles) qui influencent les transferts de
carbone vers le sol. Très peu de travaux sur la rhizodéposition prennent en compte la
distribution du carbone dans la plante; seules quelques études sur la défoliation se sont
intéressées à la remobilisation des réserves de la plante et au transfert de carbone remobilisé
vers le sol (Johansson, 1993 ; Crawford et al., 2000).
Le ray grass anglais (Lolium perenne L.) est une espèce très compétitive lors de forte
fréquence de fauche ou de pâturage intensif. Sa production et ses qualités nutritionnelles sont
élevées (Holmes, 1980). De plus, le ray grass dispose d’un système racinaire dense, composé
de racines adventives générant ainsi un volume de sol rhizosphérique conséquent.
II. Les transferts de carbone dans le continuum atmosphère plante sol
Le dioxyde de carbone est assimilé par la plante au niveau de ses parties aériennes grâce à la
photosynthèse. Le dioxyde de carbone fixé par la RubisCO provient de la diffusion du CO2
atmosphérique au travers des stomates dans un premier temps, puis au travers des cellules de
la feuille jusqu’au stroma des chloroplastes. Le cycle de Calvin (cycle des Pentoses
Phosphate) engendre la formation de composés carbonés instables, réduit ensuite en
phosphoglycéraldéhyde permettant la synthèse de glucides. Dans le chloroplaste, le carbone
peut être intégré dans des composés plus ou moins polymérisés (hexose, amidon, saccharose).
Dégradés en trioses, ces glucides quittent le chloroplaste pour être utilisés soit localement par
les processus de respiration ou être stockés dans la vacuole sous forme de réserves (fructanes,
hexoses), soit pour être transportés à plus ou moins longue distance pour la croissance et
l’entretien des organes de la plante. Ces composés carbonés peuvent être directement libérés
au niveau des racines des plantes par rhizodéposition ou d’abord mis en réserve puis
remobilisés et ultérieurement libérés par les racines. Dans le sol, le carbone est utilisé comme
source d’énergie pour les micro-organismes. L’activité microbienne est alors stimulée et
l’abondance des micro-organismes accrue, plus particulièrement dans la rhizosphère. En
retour, la majorité de ces micro-organismes contribuent au fonctionnement de la plante,
notamment en augmentant la disponibilité en éléments nutritifs dans le sol. Les transferts de
carbone vers le sol peuvent être contrôlés, d’une part par la plante elle-même, d’autre part par
l’environnement dans lequel la plante évolue. En effet, il a été montré par exemple que la
rhizodéposition était largement variable qualitativement et quantitativement, à la fois au sein
d’une même espèce mais également d’une espèce à l’autre (Van der Krift et al., 2001). De
17
Synthèse bibliographique
même, par le biais de retro-contrôle, les micro-organismes du sol stimulent les flux de
rhizodéposition. Ces flux de carbone peuvent être également modifiés par des facteurs
externes (gestion des écosystèmes, climat… ; Van de Geijn et Van Veen, 1993).
1. La répartition des assimilats carbonés dans la plante
1.1. Les relations source-puits
Les transferts de carbone dans la plante et donc la répartition des assimilats dépendent des
relations source-puits. Généralement, « source » et « puits » sont des descriptions
fonctionnelles des organes de la plante, définissant leur aptitude à fournir ou à utiliser un
substrat. Un aspect majeur, intrinsèque au concept de source et de puits est la continuité
physique entre les sources et les puits par les connections vasculaires (Figure 2). Les sources
de carbone sont définies comme les organes de la plante exportateurs nets de carbone vers
d’autres parties de la plante. Les puits de carbone correspondent aux organes importateurs
nets de carbone (Farrar, 1996a, Farrar, 1996b).
Les organes sources sont généralement les organes photosynthétiquement actifs, comme les
feuilles matures. Les organes puits correspondent aux méristèmes, aux racines, aux jeunes
feuilles et autres organes de stockage. En revanche les jeunes feuilles deviennent
progressivement sources nettes de carbone lorsqu’elles se développent, et les organes de
stockage également source de carbone quand les demandes en carbone de la plante vont
excéder la photosynthèse (Farrar, 1996a, Farrar, 1996b). Dans ce cas, il s’agit d’une
remobilisation des réserves. Les organes puits utilisent les assimilats pour leur respiration,
leur croissance ou leur stockage.
Un puits ou une source peut être caractérisé par :
-
son activité, correspondant à la croissance et au fonctionnement des organes puits et
des organes sources ;
-
sa capacité, correspondant à leurs aptitudes à transférer ou à stocker le carbone
assimilé par la plante.
18
Synthèse bibliographique
CO2
Energie lumineuse
CELLULE PUITS
(Organes Reproducteurs)
Utilisation dans
les puits
Fixation photosynthétique
Transport
Chloroplaste
Cycle de Calvin
Transport
CO2
Respiration
Vacuole
Réserves
Transport
CELLULE SOURCE (Feuilles)
CO2
Utilisation
dans
les puits
Vacuole
Respiration
Réserves
CELLULE PUITS
(Racines)
Figure 2 : Représentation schématique de la répartition du carbone dans une plante au stade reproducteur.
Concepts de source et de puits. (d’après Tabourel-Tayot, 1997).
1.2. Modification des relations source-puits
Les relations privilégiées entre les puits et les sources au cours du cycle de croissance sont
soumises aux fluctuations de l’environnement de la plante. Toutes modifications de l’apport
de carbone à la plante entraînent un changement de ces relations. Par exemple une
augmentation de la luminosité ou de la pression partielle en CO2 atmosphérique accroît
19
Synthèse bibliographique
l’activité des organes sources, alors que la défoliation diminue l’activité des organes sources
(Tableau 1).
Facteurs
Effets
Références bibliographiques
Température
Chez la plupart des végétaux, la vitesse de
Bonnemain (1975)
circulation des assimilats décroît en deçà de 1015°C et au delà de 40°C.
Défoliation
La quantité d'assimilats et les potentialités
Ryle et Powell (1975),
d’acquisition de C sont réduites, provoquant des
ré-allocations vers les méristèmes foliaires et
Davidson et Milthorpe
vers les jeunes feuilles en croissance. Des re-
(1966).
mobilisations des réserves carbonées sont
également observées
CO2
Une augmentation de la biomasse végétale est
Kimball (1983),
habituellement observée, mais les conséquences
sur la répartition entre parties aériennes et
Farrar et William, (1991),
parties racinaires sont variables. Dans certains
Fischer et al. (1997).
cas les réserves augmentent ce qui ne permet
plus d’assimilation supplémentaire de C car la
totalité des demandes de la plante est déjà
satisfaite.
Azote
L’assimilation augmente en même temps que les
Lawlor et al. (1989),
réserves augmentent. La croissance racinaire est
Powell et Ryle (1978).
réduite, au profit des parties aériennes.
Tableau 1 : Effets de quelques facteurs à impact majeur sur l'assimilation et la répartition des assimilats dans la
plante. Ces éléments bibliographiques sont tirés d'articles de synthèses et de résultats expérimentaux.
De plus, les modèles de répartition du carbone chez les plantes pérennes sont très complexes,
du fait de la présence de tissus avec des structures d’âge variable. La variation des taux de
glucides dans les différents tissus de la plante constitue un mécanisme de contrôle de la
répartition des ressources entre les organes sources et les organes puits (Koch, 1996 ; Sheen et
al., 1999). Ces mécanismes de variation des taux de glucides fournissent un moyen d’ajuster
20
Synthèse bibliographique
la croissance de la plante et l’allocation du carbone dans la plante en réponse à des contraintes
et des changements environnementaux (Koch, 1996 ; Farrar et Jones, 2000). Ainsi une
diminution des teneurs en glucides engendre une stimulation de l’activité photosynthétique au
niveau des organes sources ainsi qu’une remobilisation des réserves présentes au niveau des
organes puits, alors qu’une augmentation des taux de glucides stimule leur mise en réserve et
leur utilisation dans les organes puits (Andersen, 2003).
L’environnement agit sur l’assimilation et la répartition du carbone dans la plante ce qui
modifie le fonctionnement des organes sources et des organes puits. Les organes sources
(parties aériennes) contribuent à l’allocation de carbone aux organes puits (racines). Ainsi
toutes modifications du fonctionnement des organes sources (au niveau des parties aériennes)
affectent les transferts de carbone vers les racines (aussi bien le carbone directement transféré
vers le sol que le carbone stocké dans la plante) et vers le sol. Au-delà de la plante, la
rhizosphère peut jouer un rôle majeur dans la régulation des relations sources-puits dans la
plante.
2. Rhizosphère et rhizodéposition
2.1. La rhizosphère
Son volume est variable selon le développement racinaire : il représente entre 0,1 et 1% du sol
global des écosystèmes forestiers et près de 100% des premiers centimètres des sols prairiaux.
C’est un milieu complexe et hétérogène qui présente des caractéristiques très particulières.
Ainsi, la rhizosphère présente des propriétés structurales (porosité-agrégation) et des
caractéristiques physico-chimiques singulières (pH, pO2, minéraux, potentiel hydrique).
Quant à la composante biologique, des études montrent une densité et une activité
microbienne à proximité de la racine particulièrement intenses, en comparaison au sol non
rhizosphérique (Lynch et Whipps, 1990). Cette microflore se compose majoritairement de
bactéries, les champignons, protozoaires et algues unicellulaires étant moins fortement
représentés (Subba Rao, 1999).
21
Synthèse bibliographique
Ces caractéristiques, propres à la rhizosphère, résultent d’interactions qui ont lieu entre la
plante, le sol et les micro-organismes (Grayston et al., 1996). Les processus racinaires
impliqués dans ces interactions sont entre autres la rhizodéposition, la respiration de la racine,
l'absorption d'eau et de nutriments.
2.2. La rhizodéposition
2.2.1. Composition :
Les composés libérés par rhizodéposition sont très diversifiés, reflétant ainsi les capacités de
biosynthèse de la plante. La classification des rhizodépôts établie par Rovira (1969) les
regroupe en quatre classes en fonction de leur composition (Tableau 2). Ils sont constitués
majoritairement de composés carbonés mais également, en quantité moins importante, de
composés azotés (Rovira, 1979). Le carbone est libéré sous forme de glucides, acides
organiques, tandis que l’azote est libéré sous forme d’acides aminés et de peptides (Rovira,
1969). Le ratio C/N est un paramètre important intervenant au niveau des bilans d’azote dans
le sol. Grayston et al., (1996) considèrent que les composés très labiles, diffusibles comme les
exsudats (glucides, acides aminés, acides organiques) ont un ratio C/N de l’ordre de 2,5-13.
D’après les données de Jones et Darrah (1993), les acides aminés étant minoritaires, le ratio
C/N des exsudats est estimé comme supérieur à 70. Pour les composés plus complexes
majoritairement représentés par les mucilages, leur ratio C/N est de l’ordre de 65 (Mary et al.,
1993).
Ce type de nomenclature citée ci-dessus, en fonction de la nature biochimique des composés,
est à la base de classifications communément adoptées (Neumann et Römheld, 2000 ; Rovira,
1979). Cependant, Killham et Yeomans (2001) ainsi que Meharg (1994) suggèrent de classer
les rhizodépôts selon leur aptitude à être dégradés par les micro-organismes. Finalement, le
mode de libération des composés par les racines peut être également pris en compte pour
classer les différentes catégories de composés libérés (diffusion passive ou transport actif). Il
n’existe donc pas de classification universelle des rhizodépôts, chacune trouvant sa pertinence
selon si la démarche concerne plutôt le compartiment microbien, la physiologie de la racinaire
ou la biochimie des composés libérés.
22
Synthèse bibliographique
Types de rhizodépôts
Composés hydrosolubles de faible poids moléculaire, libérés
passivement par les racines vers la solution du sol selon un
gradient de concentration. Représentés principalement par des
Les exsudats
sucres
(glucose,
fructose,
maltose…)
des
acides
aminés,
carboxyliques et phénoliques et en moins grande proportion par
des vitamines, des régulateurs de croissance, des enzymes et des
nucléotides.
Composés de poids moléculaire variable, libérés par transport actif.
Les secrétions
Ce sont notamment des glucides
Composés de poids moléculaire élevé. Libérés principalement au
Les mucilages
niveau des apex voire même des poils absorbants. Représentés par
des sucres polymérisés et des protéines.
Mélange complexe de mucilage, de débris racinaires, bactériens et
Le mucigel
de particules minérales.
Tableau 2 : les différentes catégories de rhizodépôts (d’après Rovira, 1969) selon leur composition biochimique
et leur mode de libération.
2.2.2. Quantification
Chez les céréales, entre 20 et 30% de la fraction de carbone total assimilé sont transférés aux
racines alors que chez les espèces prairiales elle atteint 30 à 40% (Kuzyakov et Domanski,
2000). La répartition du carbone dans la plante et dans le sol est similaire entre les graminées
annuelles et les graminées pérennes : la moitié de ce carbone sert à la croissance et à
l’entretien de la plante, un quart est retrouvé dans la respiration rhizosphérique (microbienne
et racinaire), le dernier quart étant incorporé dans la biomasse microbienne et dans la matière
organique du sol. Dans le cas d’études menées sur des plantes cultivées in situ, le carbone
libéré par les racines vivantes correspond à 5 à 10% du carbone net fixé par la plante.
Néanmoins, Jones et al., (2004) considèrent comme plus réaliste d’estimer la rhizodéposition
comme étant comprise entre 2 et 4 % du carbone net fixé sur la base d’une modélisation de la
rhizodéposition tenant compte des principaux facteurs susceptibles de faire varier les flux de
rhizodéposition. La quantité de carbone rhizodéposé reste néanmoins difficile à mesurer. En
23
Synthèse bibliographique
combinant un traçage isotopique et un modèle de rhizodéposition, Swinnen et al. (1994b)
montrent que la rhizodéposition carbonée correspond à un apport annuel de C organique
compris entre 710 et 1020 kg C ha-1 an-1 sous une culture de blé.
Pour l’azote, les études sont beaucoup moins nombreuses; celles-ci montrent que 18 à 33% de
l’azote assimilé par des plants de blé sont libérés dans la rhizosphère pendant la période de
croissance des plantes (Janzen, 1990). A l’échelle de la parcelle la rhizodéposition azotée rend
compte d’une libération nette comprise entre 8 et 40 kg N ha-1 (Merbach et al., 1999 ; Janzen,
1990), ce qui est loin d’être négligeable pour la gestion de la fertilisation azotée car cet azote
est bio-disponible rapidement pour micro-organismes favorisant ainsi leur activité.
La grande variabilité des résultats de quantification de la rhizodéposition carbonée et azotée
résulte de différences du point de vue de la méthodologie, et des conditions
environnementales (facteurs biotiques et abiotiques) (Grayston et al., 1996).
2.2.3. Localisation
La libération de composés par la racine n’est ni qualitativement, ni quantitativement
homogène le long de la racine et varie d’une espèce à l’autre. Dans le cas des arbres et des
graminées, les sites majeurs de libération se situent au niveau des apex et des zones
d’élongation racinaire (Whipps et Lynch, 1985 ; Curl et Truelove, 1986). Selon la zone de la
racine, la nature de la rhizodéposition varie (Rovira et al., 1979 ; Lynch et Whipps, 1990 ;
Grayston et al., 1996). Il apparaît que la libération de glucides a lieu tout au long de la racine
(Jones et Darrah, 1994), alors que la libération d’acides aminés et d’acides organiques a lieu
préférentiellement dans les zones apicales (Hoffland, 1992 ; Jones et Darrah, 1994). De
même, les photosynthétats récemment assimilés sont majoritairement alloués vers les jeunes
racines (Matthew et Kemball, 1997). Néanmoins, la contribution de ce carbone plus ancien à
la rhizodéposition n’est pas encore quantifiée.
2.3. Rôle trophique des rhizodépôts
Les rhizodépôts jouent un rôle trophique majeur mais également un rôle signal (production de
métabolites secondaires). Dans notre travail c’est le rôle trophique des rhizodépôts par rapport
au cycle du carbone qui nous intéresse puisque ces rhizodépôts sont utilisés en tant que
substrats pour le développement de la microflore du sol. Cependant en terme de structuration
24
Synthèse bibliographique
des communautés du sol, la part du trophique par rapport à celle du signal reste à étudier. La
nature et la quantité de ces substrats produits dépendent directement du fonctionnement de la
plante. L’activité des micro-organismes est généralement limitée par la disponibilité en
carbone. Ceci est moins vrai dans la rhizosphère grâce à l’apport continu de carbone labile,
rapidement disponible et assimilable par la microflore hétérotrophe (Lynch et Whipps, 1990 ;
Cheng et al., 1996). En revanche, si dans la rhizosphère, le carbone n’est pas limitant pour les
micro-organismes, la disponibilité en azote peut l’être. Dans ce cas, c’est à la fois la
croissance des micro-organismes et celle de la plante qui sont limitées. Dans le cas contraire,
les micro-organismes rendent disponible l’azote minéral, par minéralisation de l’azote
organique, utile à la nutrition des plantes. Le fonctionnement de la plante ainsi que l’activité
microbienne sont alors modifiés, affectant ensuite les entrées de carbone dans le sol par
rhizodéposition.
2.3.1. Manifestations de l’effet rhizosphère
L’entrée de carbone dans la rhizosphère, via la rhizodéposition, gouverne la taille, l’activité et
la composition génétique de la biomasse microbienne (Lynch, 1991). L’augmentation de la
densité de micro-organismes à proximité de la racine : « l’effet rhizosphère », se quantifie par
le rapport entre les micro-organismes rhizosphériques et les micro-organismes non
rhizosphériques. Ce ratio est estimé en moyenne pour les bactéries entre 10 et 20, parfois plus.
En revanche, il est moins important pour les actinomycètes et les champignons (Subba Rao,
1999), démontrant que les bactéries sont plus sensibles à la rhizodéposition que ne le sont les
champignons et les actinomycètes. Cependant, la densité du pool bactérien rhizosphérique est
variable. La présence ou l’absence de plantes (Nguyen et Guckert, 2001 ; Kandeler et al.,
2002 ; Lemanceau et al., 1995), l’espèce végétale (Grayston et al.,1998 ; Fang et al., 2001a)
ou encore différents cultivars (Dalmastri et al., 1999) sont des facteurs susceptibles de faire
varier l’activité respiratoire microbienne et/ou la composition des communautés
microbiennes. Certains groupes bactériens sont ubiquistes, retrouvés à la fois dans le sol
rhizosphérique et non-rhizosphérique, alors que d’autres sont spécifiques à la rhizosphère
(Marilley et Aragno, 1999).
25
Synthèse bibliographique
2.3.2. Conséquences de l’effet rhizosphère
L’effet rhizosphère favorise la croissance et la qualité végétale. En effet, les microorganismes rendent disponibles dans la solution du sol des éléments tels le fer, le calcium et le
phosphore initialement présents sous forme organique stable et complexe, forme inaccessible
pour la plante. De plus, les bactéries sont un puits d’éléments minéraux : ils stockent dans leur
biomasse des atomes de carbone, d’azote, de phosphore, de soufre etc…, qui deviennent à
leur mort une source de nutriments pour les végétaux. Ils sont aussi impliqués dans la
dégradation de certaines catégories d’herbicides (Fang et al., 2001b) et dans l’état sanitaire
des plantes. Certaines bactéries comme les bactéries PGPR (Plant Growth Promoting
Rhizobacteria), améliorent directement la croissance végétale en synthétisant des
phytohormones de croissance (auxines) ou indirectement en limitant la croissance d’agents
pathogènes via la production d’antifongiques (Benizri et al., 2001) (Figure 3). Néanmoins du
fait d’une intensification des processus dans la rhizosphère, on observe également une
stimulation du développement de pathogènes (bactéries, champignons) ; la présence
importante de composés toxiques et également une compétition entre plante et microorganismes pour un certain nombre de nutriments.
CO2
Figure
3:
Modèle
simplifié
présentant le carbone issu de la
Feuille:
Transport de sucre
Feuille:
Stockage de sucre
photosynthèse importé jusqu’aux
racines puis transféré dans le sol
(d’après Dilkes et al., 2004). Ce
Phloème
schéma vient en complément du
schéma
Saccharose
précédent
caractérisant
carbone
la
dans
rhizodéposition
(Figure
2)
répartition
du
la
plante.
devient
un
La
des
termes du bilan carboné de la plante
Racine:
Sucres solubles
Rhizodéposition
CO2 respiré
Racine:
Structure
26
entière.
Synthèse bibliographique
Les flux de rhizodéposition sont plus importants chez les plantes pérennes que chez les
plantes annuelles (jusqu’à 40% du C assimilé chez les plantes annuelles et jusqu’à 70% chez
les plantes pérennes). L’environnement de la plante conditionne les relations sources-puits de
la plante. La rhizodéposition représente une perte d’énergie pour la plante mais un apport
trophique pour les micro-organismes telluriques. Par conséquent, en échange de cet apport
d’énergie, les micro-organismes peuvent rendre disponibles pour la plante des nutriments
nécessaires à sa croissance. Ils peuvent également être impliqués dans la santé de la plante en
la protégeant de certains pathogènes. De plus, ces micro-organismes entretiennent la fonction
puits de la rhizosphère de part leur activité et leur capacité à stocker le carbone. Le concept
des relations sources-puits peut alors être étendu à la rhizosphère, celle-ci étant un puits de C
par le biais de la rhizodéposition (Figure 4). Les termes d’activité et de capacité puits ou
source de carbone issu de la plante apparaissent donc applicables à la rhizosphère.
EFFETS POSITIFS DIRECTS
EFFETS POSITIFS INDIRECTS
Augmente la disponibilité en nutriment.
Induit la production d’hormone et de
Effet PGPR.
vitamines par les microbes ce qui
Favorise l’assimilation de l’eau du sol.
augmente
Induit la formation de nodosités
la croissance de la plante.
(légumineuses).
Lieu de fixation de N2 et du transfert
Stimule l’infection
d’N à la plante
Carbone libéré dans
mycorhizienne.
la rhizosphère
EFFETS NEGATIFS DIRECTS
Induit la croissance de champignons
pathogènes.
Attire les nématodes consommant les
racines.
EFFETS NEGATIFS INDIRECTS
Induit l’immobilisation d’éléments nutritifs
les rendant indisponibles à la plante.
Induit la production de phytotoxines
microbiennes
Figure 4: Représentation schématique des effets positifs et négatifs directs et indirects des rhizodépôts sur la
croissance de la plante (d’après Jones et al., 2003).
3. Outils d’étude des transferts de carbone dans le continuum atmosphère-plante-sol
La quantification in situ de la rhizodéposition est impossible en raison d’un écueil
méthodologique majeur. En effet, les rhizodépôts sont rapidement adsorbés sur les
27
Synthèse bibliographique
composants du sol comme les argiles (Guckert et al., 1975), ou encore dégradés par les microorganismes (Griffin et al., 1976 ; Kraffczyk et al., 1984 ; Groleau-Renaud, 1998). C’est
pourquoi la majorité des études concernant les transferts de carbone de la plante vers le sol et
l’analyse de la composition biochimique des rhizodépôts menées jusqu’à ce jour ont souvent
été réalisées en conditions hydroponiques stériles (Warembourg et Billes, 1979 ; Kraffczyk et
al., 1984 ; Kuzyakov et Domanski, 2000 ; Hodge et al., 1996…). Toutefois, dans ces
conditions, l’analyse quantitative et qualitative de la rhizodéposition est souvent perturbée par
la nature des ions de la solution, l’absence de contrainte mécanique liée au sol (GroleauRenaud et al., 1998) et l’absence de micro-organismes (Whipps 1990).
3.1. Traçages isotopiques
La majorité des informations disponibles concernant le transfert du carbone assimilé par la
plante depuis l’atmosphère jusqu’au sol a été obtenue grâce à l’utilisation de marqueurs
isotopiques :
14
C,
13
C,
11
C (synthèse de Kuzyakov, 2001). Cette technique faisant appel au
traçage isotopique permet de distinguer le carbone libéré par les racines du carbone
initialement présent dans le sol. Elle permet d’établir un bilan net de carbone libéré par les
racines dans des conditions réalistes.
Deux approches distinctes peuvent être considérées :
-
le marquage des photo-assimilats de la plante en enrichissant le CO2 atmosphérique
avec un isotope stable (13C) ou radioactif (14C, 11C) (Domanski et al., 2001 ; Toal
et al., 2000 ; Warembourg et Esterlich, 2001),
-
l’analyse des variations de l’abondance naturelle du 13C de la matière organique du sol
(Balesdent et Balabane, 1992 ; 1996 ; Rochette et Flanagan, 1997 ; Rochette et al.,
1999).
Néanmoins si l’on souhaite déterminer l’origine du carbone au sein d’un compartiment, à
savoir s’il provient de la re-mobilisation des réserves ou du carbone récemment assimilé, un
double marquage long (Schnyder, 1992 ; Johansson, 1993 ; Gebbing et al., 1999 ; Crawford et
28
Synthèse bibliographique
al., 2000) peut être envisagé. En effet, les auteurs précédemment cités, procèdent à 2
marquages consécutifs des plantes avec deux isotopes différents du carbone (13C/14C).
3.1.1. Marquage court et marquage long des photoassimilats
Dans le cas du marquage court, les plantes assimilent le CO2 marqué pendant une courte
période. Cette technique n’est cependant valable que pour quantifier le transfert d’assimilats
récents dans le système plante-sol (Meharg et Killham, 1990 ; Nguyen et al., 1999 ; Swinnen
et al., 1994a, b ; Warembourg et Billes, 1979). L’ensemble du carbone n’étant pas marqué
uniformément, les mouvements de carbone provenant des réserves et du renouvellement des
tissus dont l’origine est antérieure au marquage ne peuvent être étudiés dans ce cas. De même,
le marquage court (ponctuel) reflète l’aptitude de la plante à répartir le carbone au moment où
le marquage isotopique est réalisé. La distribution du carbone à un stade donné de
développement de la plante ne peut pas être extrapolée à la période entière de croissance de la
plante. En revanche une série de marquages courts intervenant à différents stades de
développement de la plante peut fournir une bonne estimation de la répartition du carbone
dans le système plante-sol-micro-organismes pendant la croissance de la plante (Gregory et
Atwell 1991 ; Jensen 1993 ; Swinnen et al., 1994a, b ; Kuzyakov et al., 1999, 2000).
Dans le cas d’un marquage long, les plantes assimilent le CO2 marqué pendant une longue
période par exemple depuis le stade plantule jusqu’à la date de récolte de la plante (Helal et
al., 1986 ; Zagal, 1994). Cela correspond à la distribution du carbone aussi longtemps que
l’atmosphère environnant la plante a été enrichie.
Le carbone 14, isotope radioactif est couramment utilisé dans les études avec des marquages
courts ou des marquages longs. Ceci est dû à la facilité de détection d’éléments radioactifs
dans un compartiment et aux faibles coûts des analyses suite au marquage. Néanmoins le 13C
a l’avantage d’être un isotope stable du carbone, sa manipulation nécessite moins de
précautions que celle du 14C, ce qui permet son utilisation au champ. Quant au 11C, sa demivie est particulièrement faible (20.4 minutes) ce qui rend son utilisation encore plus difficile
face à une demi-vie de 5730 ans pour le 14C (Minchin et Thorpe, 2003).
29
Synthèse bibliographique
3.1.2. Abondance naturelle en 13C
Cette technique est basée sur la discrimination isotopique du 13C et du
12
C pendant la phase
d’assimilation du CO2 par des plantes ayant un fonctionnement photosynthétique différent.
L’enzyme Rubisco chez les plantes à métabolisme C3 engendre un appauvrissement en
dans la plante δ13C≈ -27‰ (unité delta qui permet ensuite de calculer le ratio
l’échantillon) comparé au
12
13
C/
12
13
C
C de
CO2 de l’atmosphère. En revanche, l’enzyme Phosphoenol
Pyruvate Carboxylase chez les plantes à métabolisme C4 entraîne un appauvrissement en 13C
dans la plante δ13C≈ -12‰. La méthode est donc basée sur la culture d’une plante C3 (δ13C≈
-27‰) sur un sol ayant un historique C4 (δ13C devant approcher -12‰) ou inversement. Ainsi
l’estimation de la rhizodéposition est réalisée en déterminant le rapport
12
C/13C dans les
différents compartiments du sol (Cheng et al., 1996 ; Rochette et Flanagan 1997 ; Rochette et
al., 1999 ; Van Kessel et al., 2000a). Cette méthode présente l’avantage de pouvoir être
appliquée au champ. Toutefois, ces mesures fournissent des bilans nets de flux de carbone
vers la rhizosphère intégrant toute la période allant du semis jusqu’à l’échantillonnage. Cette
technique a néanmoins permis d’évaluer la libération totale de carbone par les racines
(rhizodéposition + renouvellement racinaire) d’une culture de maïs à 570-2555 kg C ha-1 an-1
(Balesdent et Balabane, 1996 ; Qian et Doran, 1996).
3.2. Les variables indicatrices de la rhizodéposition
L’estimation de la libération de carbone par les racines peut également se faire de manière
indirecte en s’intéressant à différentes variables corrélées avec la rhizodéposition. C’est par
exemple le carbone soluble intra-racinaire (Marchand, 2003), le carbone soluble (Haynes et
Francis, 1993) du sol adhérent ou encore le compartiment microbien. Pour ce dernier, la
biomasse microbienne est plus pertinente que l’étude des communautés microbiennes ou du
nombre de bactéries cultivables car ces variables ne permettent de caractériser qu’une faible
fraction des micro-organismes du sol. Toutes ces variables ne présentent pas les flux de
carbone de la plante vers le sol, mais elles rendent compte de la disponibilité en carbone dans
le sol, résultat direct des transferts de carbone de la plante vers le sol. Lors d’expérimentation
en plein champ, ces variables peuvent être utilisées comme indicateurs de la rhizodéposition,
alors que les techniques de marquages isotopiques sont lourdes à mettre en place. Notre
30
Synthèse bibliographique
équipe a récemment utilisé ou développé ces indicateurs comme outil d'estimation de la
rhizodéposition in situ.
3.2.1. Approche phénotypique d’étude des micro-organismes
Les techniques de culture in vitro des micro-organismes après étalement ou encore le test
Biolog® sont basées sur la physiologie et le métabolisme microbien. L’inconvénient majeur
de ces outils est qu’ils ne rendent compte au maximum que de 10% de la population totale,
étant donné que la fraction cultivable des micro-organismes est de l’ordre de 1-10% de la
microflore totale (Torsvik et al., 1990). En revanche cette fraction cultivable peut être
envisagée comme un indicateur de la disponibilité en carbone dans la rhizosphère pour les
micro-organismes et s’avère donc utile dans des études comparatives. Le test Biolog® est
utilisé pour caractériser les communautés microbiennes en fonction de leurs aptitudes
cataboliques (Garland et Mills, 1991 ; Zak et al., 1994 ; Garland, 1997). Ce test rend compte
de la capacité d’oxydation de différents substrats (95 généralement) par des communautés
microbiennes et plus spécifiquement bactériennes. Il permet de mettre en évidence des
changements dans la qualité des composés rhizodéposés.
3.2.2. Approche génétique d’étude des micro-organismes
Depuis une vingtaine d’années, le développement des techniques de biologie moléculaire a
permis l’émergence de nouvelles méthodes permettant la description des communautés
microbiennes sur la base de l’analyse de l’ADN extrait des échantillons à caractériser
(Ranjard et al., 2000a). Ces outils peuvent être utilisés pour cerner l’effet de variations de la
disponibilité de carbone organique, c’est à dire des variations dans les transferts de carbone de
la plante vers le sol, sur les structures de communautés microbiennes du sol. Néanmoins, des
modifications de la structure des communautés microbiennes s’expliquent par un changement
quantitatif et/ou qualitatif de l’entrée de carbone dans le sol mais sont également influencées
par les caractéristiques édaphiques ou micro-climatiques. On peut par exemple citer les
travaux de Montealegre et al. (2000) utilisant la technique RISA (Ribosomal Intergenic
Spacer Analysis). Les résultats obtenus montrent une modification de la structure des
communautés bactériennes du sol après une augmentation de la concentration en CO2
31
Synthèse bibliographique
atmosphérique. Les auteurs suggèrent que la rhizodéposition a pu être affectée
qualitativement ou quantitativement par le CO2 mais ne mettent pas directement en évidence
les conséquences du CO2 sur la disponibilité en carbone dans le sol.
Au-delà de la structure génétique des communautés bactériennes, de nouvelles techniques
permettent d’appréhender les relations structures/ fonctions des communautés microbiennes
in situ. Les techniques FISH (Fluorescence in situ hybridization) combinées à des techniques
de micro-autoradiographie MAR (Lee et al., 1999) permettent, par exemple, d’identifier et de
caractériser in situ l’incorporation de substrats carbonés dans des cellules bactériennes
présentes au sein d’une population bactérienne donnée (Nielsen et al., 1999 ; Adamczyk et
al., 2003). La micro-autoradiographie permet de localiser la distribution des radioéléments
dans un micro-organisme après exposition sur un film photographique sensible aux
rayonnements radioactifs. Couplé à la technique FISH, permettant de révéler la présence des
bactéries par fluorescence, il est possible de quantifier les bactéries ayant assimilé le substrat
radioactif par rapport à la communauté bactérienne totale (Lee et al., 1999 ; Ouverney et al.,
1999). Avec cet outil, il est possible de tester les conséquences de la variation de la
disponibilité d’un substrat carboné donné sur la communauté bactérienne du sol.
3.3. Couplage des techniques isotopiques et des techniques de biologie moléculaire
Le couplage du traçage isotopique avec la biologie moléculaire microbienne devrait permettre
prochainement de suivre la répartition d’un isotope du carbone dans tout le système plantesol-micro-organismes : ce sont les techniques récentes ADN / ARN Stable Isotope Probing
(SIP) (Radajewski et al., 2000 ; 2002 ; Morris et al., 2002 ; Lueders et al., 2004). La
technologie SIP devrait à terme permettre d’identifier in situ les membres actifs de groupes
métaboliques de micro-organismes définis, ayant incorporé l’isotope du carbone issu du
marquage de la plante (13C par exemple) dans l’ADN ou l’ARN de leurs cellules suite à la
consommation d’un substrat marqué issu de la rhizodéposition. L’incorporation au niveau de
l’ARN permet de caractériser les populations microbiennes actives car ayant transcrit leur
ADN. Ainsi une diminution de la disponibilité de carbone au niveau du sol va se traduire par
une moindre incorporation des composés marqués, issus de la plante, dans l’ADN ou l’ARN
des populations bactériennes présentent. Néanmoins cette technique est en cours de mise au
point et n’était pas opérationnelle pour ce travail de thèse.
32
Synthèse bibliographique
Ces techniques SIP présentent également l’avantage de pouvoir être couplées aux techniques
d’analyse phénotypique des micro-organismes de type PLFA. Ces techniques PLFA (profil
d’acides gras phospholipidiques) permettent la comparaison de structures des communautés
microbiennes, basée sur la caractérisation de lipides membranaires extraits des microbes
présents dans le sol (Pennanen et al., 1998 ; Broughton et Gross, 2000 ; Kozdroj et Van Elsas,
2001). Les différents acides gras des membranes des cellules bactériennes sont caractérisés et
peuvent être utilisés comme bio-marqueurs d’un groupe microbien donné. Ces techniques
sont notamment employées pour apprécier l’effet structurant sur les communautés
microbiennes de divers paramètres : espèces végétales (Priha et al., 1999 ; Germida et al.,
1998), élévation du CO2 atmosphérique (Kandeler et al., 1998) ou encore présence de métaux
lourds (Kozdroj et Van Elsas, 2001), tous ces facteurs influençant de manière significative les
entrées de carbone dans le sol. Les limites de cette technique résident dans le fait que certains
PLFA sont communs à la plante et aux micro-organismes.
En combinant PLFA et SIP, il est possible de distinguer un type de micro-organismes donné
ayant incorporé du carbone marqué dans ses membranes. Ainsi, il devient possible de
distinguer les micro-organismes impliqués dans les changements biogéochimiques intervenant
au niveau du sol (Treonis et al., 2004).
3.4. Utilisation des micro-organismes bio-senseurs
Une méthode récente, qui reste prospective car pas encore au point pour des investigations in
situ, a pour but de quantifier, localiser et caractériser les rhizodépôts libérés. Cette technique
renseigne directement les flux de rhizodéposition. Elle consiste à insérer dans le plasmide ou
le chromosome d’une bactérie un ou plusieurs gènes dont l’expression, sous le contrôle d’un
promoteur plus ou moins spécifique, permet une discrimination phénotypique de la bactérie
modifiée (Daunert et al., 2000 ; Leveau et Lindow, 2002). Il existe ainsi de nombreux
promoteurs stimulés par des signaux chimiques ou biologiques. Parmi les plus simples
d’utilisation figurent ceux codant pour la luminescence et la fluorescence (Killham et
Yeomans, 2001). On peut citer par exemple les micro-organismes bio-senseurs adaptés aux
études de la rhizodéposition : Pseudomonas fluorescens marqué avec un gène de
luminescence lux. La luminescence produite par les bactéries transformées est proportionnelle
à la disponibilité en composés carbonés simples dans leur environnement (Yeomans et al.,
1999). Ces Pseudomonas ont été utilisées pour rendre compte de la disponibilité en carbone
33
Synthèse bibliographique
dans la rhizosphère en relation avec la fertilisation azotée (Darwent et al., 2003 ; Henry,
2005). Ainsi cet outil permet de mettre en évidence l’effet dépressif ou stimulateur de la
disponibilité en carbone sur l’activité des micro-organismes. Néanmoins, une des limites de
cette technique réside dans le fait que les glucides dosés peuvent provenir de sources autres
que les rhizodépôts, comme par exemple la dégradation des parois bactériennes ou racinaires.
La quantification de la rhizodéposition s’avère délicate. Les techniques utilisant les isotopes
du carbone semblent les mieux appropriées, mais difficiles à mettre en place dans des
conditions de plein champ. Dans de telles conditions, les indicateurs de la rhizodéposition
apparaissent comme plus facilement utilisables. Ils permettent une estimation de la
rhizodéposition mais pas sa mesure. En revanche, le développement récent des techniques
couplant les isotopes du carbone et la biologie moléculaire sont prometteuses mais ne sont pas
encore opérationnelles pour des études in situ. Néanmoins, elles présentent l’avantage de
pouvoir étudier un système complet regroupant plante, sol et micro-organismes. L’échelle
d’analyse des communautés microbiennes est fine et permet de caractériser précisément
quelles populations bactériennes sont stimulées lors d’un changement de la disponibilité de
composés carbonés issus de la plante au niveau du sol.
34
Synthèse bibliographique
III. Facteurs modulant les transferts de carbone dans le système plante-solmicro-organismes
Des facteurs propres à la plante et de nombreux facteurs environnementaux influencent
l’activité source et l’activité puits des plantes (Tableau 1) et sont à l’origine des variations
quantitatives et qualitatives des transferts de carbone de la plante vers le sol.
Whipps et Lynch (1985), estiment que tout facteur qui affectant la physiologie de la plante
perturbe les processus de rhizodéposition.
Les principaux facteurs biotiques qui modifient la rhizodéposition sont :
-
l’espèce,
-
la variété,
-
le stade de développement de la plante,
-
la présence ou non de micro-organismes à proximité des racines vivantes.
Les principaux facteurs abiotiques peuvent être classés en 2 catégories :
-
les facteurs abiotiques au niveau des parties aériennes de la plante, c’est à dire la
température de l’air, les conditions d’éclairement, la concentration en CO2
atmosphérique, la défoliation,
-
les facteurs abiotiques racinaires, c’est à dire la température du sol, le statut hydrique
et nutritionnel du sol, et la texture du sol.
Face à ces modifications des processus de rhizodéposition, la capacité de puits ou la capacité
de source du sol peut être amplifiée grâce à la rhizosphère.
Nous allons développer les effets de trois facteurs sur les transferts de carbone dans le
système plante, sol, micro-organismes : le CO2, la défoliation et l’azote (Figure 5). Ces trois
facteurs ont été choisis comme outils d’étude des transferts de carbone de par leur
conséquences contrastées sur les relations source-puits de la plante, mais également de par
leurs intérêts agro-environnementaux et leurs conséquences avérées ou supposées sur les
flux de C vers la rhizosphère.
35
Synthèse bibliographique
CO2
CO2 : accroît l’activité des organes sources
Défoliation : Diminue la proportion d’organes sources
Assimilation nette
Transport et Répartition
des assimilats
Azote :
stimule l’activité source
et l’activité puits
CO2; Défoliation: résultats controversés concernant
l’allocation de C
aux racines
Azote:
Modifie la morphologie
du système racinaire
RHIZODEPOSITION
CO2; Défoliation : effets contrastés
Azote: Augmente rhizodéposition
Figure 5: Schéma récapitulatif des effets de l’élévation du CO2, de la défoliation et de la fertilisation azotée sur
les transferts de C dans la plante.
L’élévation de la
concentration atmosphérique en dioxyde de carbone est une des
conséquences principales du changement global affectant le cycle du carbone et plus
largement la séquestration de carbone par les écosystèmes. Le CO2 correspond à la seule
source de carbone pour les plantes, hormis quelques composés organiques simples pouvant
être assimilés directement par les racines. En augmentant la concentration en CO2 dans
l’environnement de la plante, l’apport de carbone pour cette dernière est accru, ce qui va
modifier les relations source-puits et donc affecter les transferts de carbone dans la plante et
vers le sol notamment via la rhizodéposition. Nous ne développerons pas dans notre travail la
capacité de séquestration des sols; nous étudierons les flux à court terme de carbone vers le
36
Synthèse bibliographique
sol et les processus rhizosphériques pouvant intervenir sur la capacité de séquestration des
sols.
La défoliation constitue un bon outil de variation des relations source-puits en réduisant de
manière significative l’entrée de carbone dans la plante, du fait d’une réduction drastique de
la taille des organes photosynthétiquement actifs, exportateurs de carbone (organe source). De
plus, dans le contexte actuel d’étude des conséquences du changement global sur le cycle du
carbone, il est important de comprendre comment la défoliation, principal facteur de gestion
agronomique des prairies affecte la rhizodéposition, pouvant ainsi influencer la séquestration
de carbone dans le sol de ce type d’écosystème.
L’azote affecte également de manière significative les relations sources-puits dans la plante. Il
a été largement démontré que l’azote stimulait la production de biomasse des parties
aériennes des plantes et réduisait le ratio de biomasse racinaire sur la biomasse de parties
aériennes. Les transferts de carbone vers le sol s’en trouvent changés. Dans notre travail
l’azote n’est pas étudié comme un facteur à part entière, il est couplé avec les effets de
l’augmentation de la concentration en CO2 dans l’atmosphère et avec la défoliation. Comme
nous l’avons signalé précédemment, la disponibilité en azote dans le sol est à l’origine de
compétition entre les plantes et les micro-organismes. Ainsi, le fonctionnement du
compartiment microbien est modifié, affectant la disponibilité en N pour la plante et agissant
sur la rhizodéposition par l'entremise de boucles de rétro-actions (densité d'apex entretien du
gradient de diffusion passive des exsudats...).
1. Le dioxyde de carbone
1.1. Activité photosynthétique, production de biomasse et CO2
Parmi les premiers effets observés de l’augmentation de la concentration en CO2 de
l’atmosphère, on note une stimulation de l’activité photosynthétique des plantes en C3 (Mott,
1990). Néanmoins, des études récentes laissent penser que des expositions à plus long terme
ne stimulent plus l’activité photosynthétique (Drakes et al., 1997 ; Rogers et al., 1998),
montrant les limites des études à court terme. En effet, une augmentation des concentrations
en glucide des feuilles est couramment observée sous atmosphère enrichie en CO2 (Fischer et
37
Synthèse bibliographique
al., 1997). La capacité puits des feuilles est alors accrue. En conséquence, les sources doivent
réduire leur activité et une diminution de l’activité photosynthétique est alors observée,
correspondant à une acclimatation des plantes aux concentrations élevées en CO2. Chez
Lolium perenne, des études (Rogers et al., 1998 ; Isopp et al., 2000) ont montré que
l’assimilation de CO2 par les feuilles était augmentée de 30 à 40% sous CO2 élevé pendant les
5 premières années suivant la mise en place d'un dispositif d’enrichissement à l’air libre des
concentrations en CO2 (FACE :Free Air Carbon dioxide Enrichment) installé en Suisse. En
revanche, après 10 années, une diminution de la capacité photosynthétique est observée
(Ainsworth et al., 2003a). Ces résultats dépendent du niveau de fertilisation et sont nettement
moins marqués à des niveaux élevés d’azote. Au champ, une acclimatation de l’activité
photosynthétique pourrait avoir une importance écologique majeure. Les entrées de carbone
dans le sol via la plante seraient réduites ce qui, à terme, limiterait la création de puits de
carbone au niveau des sols prairiaux.
Une stimulation de la production de biomasse des plantes (Kimball, 1983 ; Kimball et al.,
2002 ; Long et al., 1992) est généralement observée sous CO2 élevé. Sur le dispositif FACE
Suisse, les plants de Lolium perenne soumis au CO2 présentaient une stimulation de 10% de
leur production, lors de la mise en place du dispositif (Hebeisen et al., 1997). En revanche,
Daepp et al., (2000) montrent après 6 années d’enrichissement en CO2 une stimulation de
production de biomasse de 25% sous niveau élevé de fertilisation. Cette augmentation de
production est souvent accompagnée d’une diminution de la concentration en azote dans la
plante (Luo et al., 1994 ; Cotrufo et al., 1998). On observe une augmentation de l’allocation
de carbone aux racines (ratio Parties racinaires/Parties aériennes augmenté) ainsi qu’une
augmentation de l’assimilation des éléments nutritifs par la plante (Cure et Acock, 1986 ;
Jongen et al., 1995 ; Gorissen 1996 ; Gorissen et al., 1995 ; Van Ginkel et al., 1996 ; Ross et
al., 1995 ; Cheng 1999a,b ; Rattray et al., 1995 ; Hebeisen et al., 1997). Toutefois,
l’augmentation de l’activité photosynthétique et l’augmentation de la production primaire ne
sont pas proportionnelles. Une grande part du carbone supplémentaire assimilé par
photosynthèse sous CO2 élevé n’est pas retrouvé dans la biomasse des plantes et, par
conséquent, est libéré par la plante. Ce « puits manquant » pourrait se situer au niveau de la
respiration des parties aériennes ou de leur sénescence (formation de litières), du
renouvellement racinaire ou encore de la rhizodéposition.
38
Synthèse bibliographique
1.2. Sorties de carbone de la plante
Comme nous l’avons décrit précédemment, il existe plusieurs voies par lesquelles le carbone
assimilé est libéré par la plante : la respiration, la sénescence des parties aériennes (litière), le
renouvellement racinaire ou la rhizodéposition. Les effets du CO2 sur la sénescence des
parties aériennes et la décomposition des litières sont peu étudiés. Les quelques résultats
obtenus montrent une augmentation de la production de masse de litière proportionnelle à
l’augmentation de la production de biomasse des parties aériennes. En réponse, la biomasse
microbienne est stimulée, mais pas son activité (Sowerby et al., 2000). D’autres études ne
montrent aucun effet du CO2 sur l’apport de carbone au sol par les litières issues de plantes
cultivées sous CO2 élevé (Higgins et al., 2002).
1.2.1. La respiration
C’est pour sa croissance et sa maintenance que la plante respire le plus (Amthor, 1997). Sous
atmosphère enrichie en CO2, la respiration de Lolium perenne par unité de masse est diminuée
(Schapendonk et al., 1997). Ceci résulte de la stimulation de la croissance des plantes ainsi
que du contenu en protéines des tissus végétaux. En revanche, à l’échelle de l’écosystème, la
respiration est augmentée du fait d’une augmentation de la production de biomasse (Ryle et
al., 1992 ; Schapendonk et al., 1997 ; Casella et Soussana, 1997 ; Aeschlimann, 2003).
1.2.2. La rhizodéposition
Les conséquences à long terme des teneurs élevées en CO2 sur la rhizodéposition sont encore
peu connues. En effet, la majorité des expérimentations a été menée en conditions contrôlées
et avec de courtes durées d’enrichissement en CO2 de l’atmosphère du système sol-plante.
Dans la majorité des cas, ces expérimentations montrent que sous CO2 élevé, la
rhizodéposition carbonée est stimulée (Norby et al., 1987 ; Van Veen et al., 1991 ; Billes et
al., 1993 ; Cardon, 1996). De même, de nombreuses études montrent que la respiration
rhizosphérique est significativement augmentée sous CO2 élevé (Lekkerkerk et al., 1990 ;
Van Ginkel et al., 1997, Paterson et al., 1999 ; Hungate et al., 1997).
En revanche, de telles observations ne sont pas vérifiées à plus long terme. Quelques résultats
obtenus en conditions naturelles indiquent que l’augmentation potentielle des transferts de
39
Synthèse bibliographique
carbone au niveau des sols serait moins importante que ne le prévoient les premières études
simulant les effets court terme de l’élévation des teneurs en CO2 atmosphérique (Arnone et
Körner, 1995). La rhizodéposition est que très rarement étudiée dans des conditions de plein
champ après de longue période d’enrichissement en CO2. Dans une étude récente à laquelle
notre laboratoire a participé sur le dispositif FACE Néo Zélandais, la rhizodéposition est
augmentée après 5 années d’enrichissement de l’atmosphère en CO2 (Allard et al., 2005). Sur
le dispositif FACE Suisse présentant un historique de 9 années d’enrichissement en CO2 du
sol d’une prairie fertilisée, il apparaît qu’après 6 et 8 années d’enrichissement, les teneurs en
carbone total du sol ne sont pas significativement modifiées (Van Kessel et al., 2000a, b ;
Horwath et al., 2000 ; Van Groenigen et al., 2002). Ces données sont en contradiction avec
les données de production de biomasse des plantes issues du même dispositif. En effet, une
augmentation de production de matière sèche des plants de ray grass est observée (Hebeisen
et al., 1997 ; Suter et al., 2002). Cette augmentation résulte de la stimulation de l’activité
photosynthétique des plantes. Ainsi la part de carbone entrant dans la plante est accrue,
provoquant une stimulation de l’activité source et donc un transfert de carbone plus important
vers les racines et vers le sol. Horwath et al. (2000) suggèrent, sans le démontrer, que la plus
grande quantité de carbone entrant dans le sol via la rhizodéposition est plus rapidement
minéralisée par les micro-organismes expliquant ainsi cette stabilité des concentrations en
carbone total du sol. Les résultats obtenus par Hungate et al. (1996) ; Niklaus et al. (2000) ;
Gill et al. (2002) ; Ross et al. (2004) sur d’autres dispositifs présentent également des
concentrations en carbone des sols comparables entre CO2 élevé et CO2 ambiant, quel que soit
le niveau de fertilisation. Néanmoins d’autres études montrent qu’après plusieurs années
d’exposition à des teneurs élevées en CO2 une quantité plus importante de carbone est
présente dans le sol de prairies (Williams et al., 2000 ; Leavitt et al., 1994 ; Pendall et al.,
2001). Des différences dans la minéralogie des sols, la production de biomasse, l’espèce, le
mode de gestion du dispositif étudiée peuvent être à l’origine de ces résultats contrastés
(Hassink, 1997).
Il apparaît clairement que les conclusions concernant la rhizodéposition après de longues
durées d’enrichissement de l’atmosphère en CO2 sont spéculatives. En conditions naturelles,
aucun résultat ne présente les conséquences directes du CO2 élevé sur la rhizodéposition après
une longue période d’enrichissement du sol en CO2. De plus, les mécanismes régissant les
transferts de carbone vers le sol (sites d'exsudation, taille des racines) et le processus
40
Synthèse bibliographique
rhizosphériques associés (taille et activité du compartiment microbien) restent encore à
préciser.
1.3. Les communautés microbiennes
Les racines étant la principale source de carbone supplémentaire entrant dans le sol, on peut
supposer que les premiers effets du CO2 sur les populations microbiennes auront lieu dans la
rhizosphère. Les micro-organismes de la rhizosphère seront plus facilement affectés par les
changements intervenant à ce niveau (Sadowsky et Schortemeyer, 1997) en comparaison avec
les micro-organismes vivant plus éloignés des racines.
Les résultats des études examinant les réponses des micro-organismes au CO2 sont
controversées (O’Neill, 1994). De nombreuses études rapportent une augmentation de la
biomasse microbienne sous CO2 élevé (Berntson et Bazzas, 1997 ; Hungate et al., 1996).
Cependant, dans d’autres cas, il n’apparaît pas de stimulation évidente de la croissance des
communautés microbienne par le CO2. Schortemeyer et al. (1996) observent que la taille des
populations microbiennes dans la rhizosphère du ray grass ou du trèfle blanc restent
inchangées sous CO2 élevé. Dans une autre étude, Shortemeyer et al. (2000) rapportent que
l’activité, la biomasse microbienne et le nombre de bactéries cultivables ne sont pas
augmentés dans une prairie naturelle de Floride soumise à des teneurs élevées en CO2. Dans
une étude conduite sur une prairie naturelle du Jura Suisse, Niklaus (1998) montre que la
biomasse et l’activité microbienne ne sont pas influencées par le CO2 élevé après 3 années
d’enrichissement.
Peu d’études sont disponibles sur la composition des communautés microbiennes en réponse à
l'augmentation du CO2 atmosphérique. Des effets sont prévisibles du fait de modifications
dans la disponibilité en substrats pour les micro-organismes. Certains travaux signalent un
changement dans la composition des communautés microbiennes sous CO2 élevé
(Schortemeyer et al., 1997 ; Marilley et Aragno, 1999 ; Montealegre et al., 2000 ; 2002).
Cependant d’autres études ne présentent aucune altération de la composition des
communautés microbienne sous CO2 élevé (Zak et al., 2000).
Si l’activité et la composition des communautés microbiennes est modifiée sous atmosphère
enrichie en CO2, on peut s'attendre ainsi à des conséquences sur le temps de résidence des
41
Synthèse bibliographique
composés organiques dans le sol et ainsi sur le stockage de carbone dans le sol des
écosystèmes prairiaux (Montealegre et al., 2002). Des changements de la composition des
communautés microbiennes peuvent être également causés par des différences dans la nature
des composés libérés par les plantes dans le sol.
Les conséquences à long terme de l’élévation de la concentration en CO2 de l’atmosphère
montrées sur la plante n’ont pas été clairement évaluées sur la rhizodéposition. Quelques
dispositifs de terrain en conditions agronomiques réalistes (dispositifs FACE) permettent de
prévoir les conséquences à plus long terme de l’élévation des concentrations en CO2
atmosphérique. Chez le ray grass, il apparaît, sur ce dispositif FACE, une acclimatation de
l’activité photosynthétique des plantes sous CO2 élevé, dépendante de la disponibilité en N
minéral dans le sol. De plus, la concentration en carbone total des sols n’est pas stimulée sous
CO2 élevé malgré un accroissement de la biomasse végétale. La majorité des travaux font
l’hypothèse d’un apport supplémentaire de carbone au sol sous atmosphère enrichie en CO2. Il
reste à préciser si la rhizodéposition peut contribuer à cet apport supplémentaire. Les
processus rhizosphériques associés (activité des communautés microbiennes) pourrait
expliquer un turnover plus rapide du carbone supplémentaire présent dans le sol. Cette
hypothèse reste à démontrer.
2. La défoliation
2.1. La défoliation affecte la répartition du carbone dans la plante
Durant les quelques jours suivant la défoliation (jusqu’à 5 jours), la biomasse, l'élongation, la
respiration racinaire et l’absorption des nutriments par la racine sont réduites (Davidson et
Milthorpe, 1966 ; Richards, 1993 ; Mawdsley et Bardgett, 1997 ; Mackie-Dawson, 1999).
Cependant certains auteurs n'observent pas de réduction de l'élongation de la racine comme
Paterson et Sim (1999) chez Lolium perenne.
Pour assurer la reconstruction de ses parties aériennes et donc assurer sa pérennité, deux
sources principales de carbone interviennent chez une plante défoliée. Il s’agit des photo-
42
Synthèse bibliographique
assimilats produits après la défoliation (post-défoliation), mais également des réserves
accumulées durant la période pré-défoliation (Johansson, 1993). L’adaptation à la défoliation
de nombreuses espèces végétales réside dans leur capacité à mobiliser ces composés carbonés
et azotés non structuraux stockés dans leurs tissus et à orienter préférentiellement les flux
d'assimilats vers les tissus en construction. Certaines études montrent que la contribution des
réserves carbonées employées pour la reconstruction des parties aériennes dépasse celles des
assimilats récents durant les premiers jours suivant la défoliation (de Visser et al. 1997,
Morvan-Bertrand et al., 1999a). Après cette courte période, les assimilats récents deviennent
quantitativement les plus importants : ils continuent d'être préférentiellement alloués aux
méristèmes foliaires jusqu'à ce que la demande de ces derniers soit satisfaite et que les feuilles
émergeantes soient photosynthétiquement actives (Welker et al., 1985; Briske et Richards,
1995). Les flux de carbone vers les racines pré-existantes sont ensuite rétablis (Richards,
1993). Ce sont plus particulièrement les réserves présentes à la base des feuilles qui vont
contribuer à la reconstruction de la plante chez les graminées (Morvan-Bertrand et al.1999a).
En effet, certaines études signalent que les réserves des racines ne contribuent pas de manière
significative à la reconstruction de la plante (Oesterheld et McNaughton, 1988).
L’accroissement de l’activité photosynthétique des nouvelles feuilles (Delting et al., 1979;
Richards et Caldwell, 1985) ainsi que l’augmentation de l’assimilation de nutriments
(Wallace et Macko, 1993) contribuent plus à la repousse que les réserves présentes au niveau
des racines.
2.2. La défoliation affecte les entrées de carbone dans le sol
En modifiant l’orientation des flux de carbone au sein de la plante, la défoliation affecte les
transferts de carbone vers le sol. En effet de nombreuses études montrent que la fauche et le
pâturage affectent significativement les entrées de carbone organique dans le sol. Cependant,
trois points de vue s’opposent : des augmentations, des diminutions ou encore aucun effet
observés suite à la défoliation.
2.2.1. Augmentation de la rhizodéposition suite à la défoliation
Des études en conditions contrôlées suggèrent que l’allocation de carbone aux racines des
plantes est augmentée après défoliation. Logiquement, une augmentation de la libération de
43
Synthèse bibliographique
carbone dans la rhizosphère est à prévoir. A l’aide d’un marquage court au
14
C, Paterson et
Sim (1999 ; 2000) montrent que le ray grass anglais (Lolium perenne) et la fétuque rouge
(Festuca rubra) soumis à quatre défoliations successives, présentent une augmentation de la
libération de
14
C par leurs racines, quel que soit le niveau de la fertilisation azotée. Ce
phénomène est immédiat et transitoire; il se produit immédiatement après chaque coupe pour
décliner 3 à 5 jours plus tard et revenir au niveau du témoin non défolié. Avec la même
technique, Holland et al., (1996) étudient les effets à court terme de la défoliation des parties
aériennes de plantules de maïs (Zea mays) par des sauterelles. Vingt-six heures après la
défoliation, une augmentation de l’allocation des composés carbonés nouvellement formés
vers les racines est observée (+35% en défoliation sévère). De plus, la respiration
rhizosphérique (racinaire et microbienne) et l’exsudation de composés solubles augmentent,
d’autant plus que la surface défoliée est importante (25 et 50%). Dans le même temps, les flux
de carbone vers les parties aériennes diminuent (-10% en défoliation sévère). Ceci peu
illustrer la stratégie d’allocation des ressources chez les plantes défoliées qui stockent leurs
réserves dans des organes moins accessibles pour les herbivores (Dyer et al., 1991).
D’autres études montrant des effets positifs sur le compartiment microbien après une
défoliation, suggèrent que la défoliation augmente les flux d'exsudation racinaire. En effet,
Mawdsley et Bardgett (1997), par des études en microcosmes, montrent que la défoliation du
trèfle blanc (Trifolium repens) provoque l'augmentation de la biomasse microbienne et de son
activité dès le deuxième jour après la défoliation.
2.2.2. Aucun effet de la défoliation sur la rhizodéposition
Todorovic et al. (1999) à l’aide d’un marquage court au 14C n’observent aucun effet à court
terme de la défoliation du trèfle blanc (Trifolium repens) sur la libération par les racines de
composés carbonés récemment assimilés. L’étude de la respiration rhizosphérique (racines et
micro-organismes), réalisée 24h après la défoliation, indique qu’elle n’est pas
significativement différente de celle du témoin non défolié quelle que soit l’intensité de la
coupe (27 ou 51% de la surface foliaire). Cela suggère qu'aucune modification de l’exsudation
ne se produit 24h après la défoliation. La fraction du carbone nouvellement assimilé allouée
vers les racines et le sol reste inchangée quelle que soit l’intensité de la coupe, alors que celle
dirigée vers les parties aériennes est augmentée au dépend des stolons chez la plante
44
Synthèse bibliographique
sévèrement défoliée. Ceci s’explique par la présence de réserves importantes dans les stolons
et les racines de trèfle blanc.
2.2.3. Diminution de la rhizodéposition
En étudiant l'activité des bactéries présentes dans le sol rhizosphérique de plantules de maïs
(âgées de 2 semaines) une semaine après leur défoliation, Nguyen et Henry (2002) montrent
que la défoliation réduit l'activité des micro-organismes présents, ce qui suggère une
diminution de la rhizodéposition après la défoliation. De même, Crawford et al., (1997) en
conditions naturelles et Johansson (1993) en conditions contrôlées montrent une diminution
immédiate de la respiration rhizosphérique après la défoliation respectivement chez Medicago
trunculata et chez Festuca ovina. Pour M. truncatula, après 8 jours, elle redevient comparable
à celle du témoin non défolié, alors que pour F. ovina la diminution se maintient 7 jours pour
ensuite augmenter progressivement.
Quant à Mikola et al., (2002), ils observent immédiatement après la défoliation de Phleum
pratense une réduction de la libération par les racines de composés carbonés nouvellement
assimilés. En revanche, la défoliation n'affecte plus ce processus une semaine après.
Les conséquences de la défoliation sur la physiologie de la plante sont clairement établis
(Richards, 1993). Immédiatement après la défoliation, l’activité photosynthétique des plantes
défoliées est stimulée afin de faciliter leur reconstruction. Les réserves de la plante sont
également re-mobilisées afin d’aider à cette reconstruction, ce jusqu’à ce que l’activité
photosynthétique redevienne suffisante et puisse assurer la croissance et le développement de
la plante. Néanmoins, les résultats contradictoires concernant l’effet de la défoliation sur la
libération de carbone par les racines, peuvent être expliqués par de nombreux facteurs. En
effet, les conditions expérimentales (surtout microcosmes et hydroponie) ne sont pas réalistes,
ni comparables d'une étude à l'autre. Les études portent sur des espèces différentes, chacune
étant plus ou moins adaptées à la coupe. Les intensités et les fréquences de défoliation sont
également variables d’un essai à l’autre. Aucune étude visant à déterminer l'impact de la
défoliation sur les flux de C récent à la rhizosphère n’a été réalisée à ce jour en conditions de
plein champ.
45
Synthèse bibliographique
3. L’azote
L’azote est un des déterminants les plus importants de la croissance des plantes. Le taux de
croissance relatif est étroitement corrélé à la teneur en azote des plantes (Ingestad, 1977).
Pour la plupart des espèces végétales, l’azote minéral du sol (nitrate et ammonium) est la
seule source d'azote (Marschner, 1995). La disponibilité en azote minéral du sol influence
donc grandement le métabolisme des plantes, depuis la régulation de l’expression des gènes
jusqu’à la production de biomasse (Marschner, 1995 ; Stitt, 1999).
3.1. Répartition des assimilats et production de biomasse
De fortes concentrations en azote au niveau du sol engendrent généralement une
augmentation du taux net de photosynthèse (Mohammad, 1997 ; Cecchin, 1998). Ainsi, la
taille (Wullschleger et Oosterhuis 1990) et l’activité des sources (Lawlor et al., 1989) sont
stimulées. Il s’en suit une augmentation de la production de biomasse végétale. Néanmoins, le
ratio racine/parties aériennes est diminué. L’exploration du sol par le système racinaire est
moins importante du fait que ces derniers ont à disposition dans leur environnement proche
les nutriments nécessaires à la croissance de la plante. La concentration en azote dans la
plante est accrue, entraînant un taux d’acides aminés et de protéines plus important. Chez les
graminées, la fertilisation azotée stimule le tallage et augmente la surface foliaire.
Parallèlement à l’accroissement de la taille et de l’activité source, la quantité et la taille des
puits sont stimulées par la fertilisation azotée (Hageman et Below, 1990).
3.2. Disponibilité en azote et rhizodéposition
En modifiant les relations sources-puits, la fertilisation azotée affecte les transferts de carbone
de la plante vers le sol (synthèse de Nguyen, 2003). Du fait d’une stimulation de la croissance
de la plante il semblerait légitime de s’attendre à une augmentation de la rhizodéposition sous
l’effet d’un apport d’azote en relation avec l’augmentation de la taille de la plante (Henry,
2005). Néanmoins, les études de Hodge et al. (1996) montrent une diminution de la
rhizodéposition azotée totale en présence d’une plus grande disponibilité en azote. A partir du
même dispositif, Paterson et Sim (1999 ; 2000) mettent en évidence aucune différence
significative dans les quantités brutes de carbone libérées par les racines entre deux
46
Synthèse bibliographique
traitements azotés contrastés. Toutefois, dans tous les cas, une plus grande disponibilité en
azote réduit la proportion de carbone libéré proportionnellement à la biomasse totale des
plantes. En effet, malgré une stimulation de la production de biomasse et de la photosynthèse,
la fertilisation diminue l’allocation de carbone récemment assimilé aux racines (-14% et -35%
respectivement après un marquage continu et un marquage court au 14C; synthèse de Nguyen,
2003). Cependant, en considérant uniquement le bilan carboné des compartiments souterrains,
les pourcentages de
14
C alloués à la respiration rhizosphérique et aux résidus du sol
augmentent de 25% et 82% respectivement lorsque le sol est fertilisé en azote. Ceci peut être
expliqué par le fait que les micro-organismes de la rhizosphère sont en compétition avec la
plante pour l’azote minéral (Kaye and Hart, 1997). Un apport d’azote stimule la croissance
microbienne et, par conséquent, augmente le flux d’exsudation passive.
3.3. Interactions carbone-azote
La présence de carbone organique facilement assimilable par les micro-organismes dans la
rhizosphère fournit l’énergie nécessaire à l’activité et à la croissance des micro-organismes
hétérotrophes (Hodge et al., 2000). Ces derniers étant les acteurs majeurs de la transformation
de l’azote (immobilisation/ minéralisation) dans le sol, la dynamique de l’azote dans les sols
est donc intimement liée à celle du carbone (Chen et al., 2003 ; Hodge et al., 2000,
Kudeyarov, 1999 ; Mary et al., 1996). En effet, il est admis que la rhizodéposition stimule le
cycle interne de l’azote qui comprend notamment la phase de minéralisation de l’azote
organique (Hart et al., 1994). De nombreuses études montrent, par exemple, une stimulation
de la nitrification dans la rhizosphère de plants d’orge (Klemedtsson et al., 1987). Ces travaux
signalent également une minéralisation plus importante de l’azote provenant de la matière
organique dans les sols plantés que dans les sols nus (Van der Krift et al., 2001). Cette
minéralisation plus importante peut profiter à la plante en améliorant sa nutrition minérale.
Ainsi la relation entre rhizodéposition et nutrition minérale pourrait permettre à la plante de
compenser la perte d’énergie que constitue la rhizodéposition (Hale et Moore, 1979).
Néanmoins, l’azote minéralisé peut être immobilisé dans la biomasse microbienne (Clarholm,
1985 ; Norton et Firestone, 1996). Ce n’est alors qu’à la mort des micro-organismes que
l’azote devient disponible pour la plante (Griffiths et Robinson, 1992).
Les rhizodépôts agissent également sur le statut azoté du sol en modifiant son ratio C/N, plus
particulièrement dans la rhizosphère. Ce rapport influence grandement le comportement des
47
Synthèse bibliographique
micro-organismes hétérotrophes. Comme nous l’avons signalé ci dessus, le carbone constitue
un des principaux facteurs limitant le fonctionnement et le développement des microorganismes, alors que pour la plante le facteur limitant est l’azote (Kaye et Hart, 1997). Par
conséquent, si le ratio C/N du sol est faible, le développement et le fonctionnement des microorganismes sont limités par le carbone. Ces derniers utilisent alors l’azote organique du sol
comme source d’énergie, le minéralisent et le rendent disponible pour la plante. En revanche,
si le C/N du sol est élevé, l’azote devient limitant pour les micro-organismes. Ces derniers
entrent alors en compétition avec la plante pour l’azote (Jones et Darrah, 1992). Par
conséquent le ratio C/N des rhizodépôts joue un rôle clé dans la dynamique de l’azote dans le
sol (Grayston et al., 1996). Ainsi tout facteur agissant sur la physiologie de la plante et
modifiant ce ratio a des conséquences importantes sur la dynamique de l’azote dans le sol,
d’où l’intérêt d’étudier la dynamique des transferts de carbone vers la rhizosphère en fonction
de la disponibilité de l’azote dans les sols.
L’azote est un élément majeur pour la croissance de la plante et le fonctionnement du sol. La
compétition entre micro-organismes et plantes dépend de la disponibilité en carbone et en
azote dans le sol. La qualité des exsudats racinaires, en terme de ratio C/N, conditionne
l’activité microbienne, cette dernière stimulant la rhizodéposition spécifique (par apex). C’est
pourquoi lorsqu’une contrainte appliquée aux parties aériennes des plantes influence les
transferts de carbone vers le sol, il est important de déterminer si la réponse à la contrainte
dépend de la disponibilité en azote dans le sol. Il a été montré par exemple que cette
disponibilité était le moteur de la réponse du ray grass aux concentrations élevées en CO2 de
l’atmosphère (Daepp et al., 2000). Pour la défoliation, peu de données sont disponibles
concernant ses conséquences sur la disponibilité en carbone dans le sol en fonction du niveau
d’azote du sol.
48
Objectifs de la thèse
B. OBJECTIFS DE LA THESE
La rhizosphère est une zone particulière du sol car elle constitue une interface par laquelle
transitent des composés organiques libérés par les racines. Cet efflux, qui contribue aux
transferts de C d'origine végétale vers le sol, est étroitement dépendant du fonctionnement de
la plante. En effet, l'analyse bibliographique tend à montrer que les facteurs influençant les
relations source-puits dans la plante affectent les transferts de C non seulement dans la plante
mais également vers la rhizosphère.
Le couplage entre l'écophysiologie de la plante et la rhizodéposition est encore peu connu
notamment dans des conditions in situ avec une approche intégrée, examinant le transfert de
C récent dans le continuum atmosphère-plante-sol-micro-organismes. Or, ces compartiments
interagissent, impliquant des mécanismes de rétro-actions complexes qui modulent le
fonctionnement de la plante et donc, en conséquence, la libération de C par les racines.
Ainsi, une meilleure connaissance de cette libération de C (quantité, dynamique, facteurs de
variations) dans des conditions écologiques réalistes contribue à mieux comprendre des
processus majeurs du fonctionnement des sols tels que la dynamique des matières organiques,
le recyclage des éléments minéraux et la structuration du sol.
Les graminées pérennes accumulent des réserves. Ces réserves sont remobilisées notamment
lors de la repousse printanière. Par conséquent, le carbone circulant dans la plante provient
non seulement des assimilats récents issus de la photosynthèse mais également de la
remobilisation de ces réserves. Les mécanismes de mobilisation-remobilisation du carbone
dans la plante et la part du carbone issu des réserves par rapport à celle du carbone récemment
assimilé pour la repousse d'un organe par exemple sont maintenant bien connus, néanmoins
aucun résultat ne s’intéresse à la contribution de ces deux sources de C à la rhizodéposition.
C’est pourquoi, dans une première étape, nous chercherons à définir la contribution du
carbone récemment assimilé par la plante à la rhizodéposition. En effet, toutes les études
conduites jusqu'à présent ont fait l'hypothèse que la rhizodéposition est alimentée par les
photo-assimilats récents transférés directement aux racines. Or, les organes végétaux
pourraient contribuer significativement à cet efflux par la remobilisation des composés de
réserve. Ce volet a été abordé dans le premier chapitre des résultats.
Outre le C circulant dans la plante c’est également le C transféré vers le sol qui est dépendant
de l’environnement dans lequel évolue la plante. Ainsi, dans une seconde étape, notre
49
Objectifs de la thèse
objectif est d'évaluer comment des contraintes subies par les parties aériennes de la
plante modulent les flux de C récent vers la rhizosphère. Ces contraintes ont été choisies
en raison de leurs conséquences connues sur les relations source-puits dans la plante et de
leurs intérêts agronomiques et environnementaux : concentration en dioxyde de carbone,
défoliation, disponibilité en azote dans le sol. Il reste en effet à déterminer in situ si ces
contraintes modifient significativement les efflux de C récent vers le sol.
La figure 6 présente les compartiments clés de notre étude ainsi que nos objectifs.
CO2
Atmosphère
Défoliation
Respiration rhizosphérique
Parties aériennes
C
CO2
Réserves
Respiration
racinaire
Racines
CO2
Respiration
microbienne
Nutrition
N
C
C
Minéraux
Rhizodépôts
Minéralisation
CO2
Compartiment microbien
Sol
Rhizosphère
Matières organiques
Figure 6 : Schéma conceptuel présentant les différents compartiments de notre étude. Les transferts du carbone
récemment assimilé dans la plante et vers la rhizosphère sont étudiés. Nous caractériserons dans un premier
temps la contribution du C récemment assimilé et du C des réserves à la rhizodéposition. Nous évaluerons
ensuite les conséquences de l’élévation des concentrations en CO2 atmosphérique sur la libération des
photoassimilats récents dans
la rhizosphère, ainsi que leur devenir dans le sol, mais également sur la
rhizodéposition azotée. Enfin, nous étudierons les conséquences de la défoliation sur la disponibilité de C récent
dans la rhizosphère et sur l’activité du compartiment microbien dépendant de cette disponibilité de C dans la
rhizosphère.
50
Matériels et méthodes
C. MATERIELS ET METHODES
Dans ce chapitre nous présenterons le matériel végétal utilisé ainsi que la majorité des
techniques d’analyses utilisées pendant ma thèse. Seules quelques points spécifiques à chaque
expérimentation seront introduits au début des chapitres concernés.
I. Matériel végétal
La plante utilisée pour chacune des trois expérimentations est une graminée pérenne : le ray
grass anglais (Lolium perenne L.). Cette plante est le modèle d’étude le plus courant des
écosystèmes prairiaux tempérés. Elle est en effet largement distribuée tout autour du globe, de
l’Amérique du Nord, l’Europe en passant par l’Australie. C’est une plante ayant un intérêt
économique important du fait d’une croissance rapide, d’une bonne capacité d’adaptation à
différents types de sol et en raison d’un bon rendement et d’une bonne qualité fourragère. De
plus, du fait de son système racinaire majoritairement composé de racines adventives, il est
également utilisé pour limiter l’érosion des sols (Hannaway et al., 1999).
II. Marquage des parties aériennes des plantes au 14CO2 ou au 13CO2
Pour les expérimentations décrites dans les chapitres D et E, des marquages des parties
aériennes au 14CO2 ou au 13CO2 sont effectués. Dans le chapitre D il s’agit de deux marquages
longs successifs (10j), le premier étant un marquage au 14CO2, le second étant un marquage au
13
CO2. Dans le chapitre E, il s’agit d’un marquage court au 14CO2 (1 à 2h). Néanmoins, dans
tous les cas, les modalités de marquage restent les mêmes.
2.1. Séparation hermétique du compartiment souterrain
Avant le second marquage long (13CO2) effectué lors de l’expérimentation décrite dans le
chapitre D, ainsi qu’avant le marquage court (14CO2) effectué dans l’expérimentation décrite
dans le chapitre E, les parties aériennes des plantes sont isolées hermétiquement des racines.
Deux couvercles sont fixés à chaque extrémité des pots de culture. L’étanchéité totale du
dispositif est assurée par l’ajout de silicone liquide (RTV 585, Rhône Poulenc , France) coulé
51
Matériels et méthodes
dans un tube en plastique entourant le collet des plantes. L’absence de fuite est contrôlée
lorsque le silicone a durci : le compartiment souterrain est immergé dans l’eau et balayé par
un flux d’air.
Durant le marquage et la chasse, le compartiment souterrain est continuellement balayé par un
flux d’air sans CO2 en utilisant deux orifices du couvercle supérieur des pots de culture. Ces
deux orifices sont connectés à des tuyaux reliés à une extrémité à une cartouche de chaux
sodée, qui fixe le CO2 de l’air en amont du pot, l’aval étant relié à une pompe péristaltique
permettant le bullage de l’air dans 200ml de NaOH 1M (Warembourg et Billes, 1979 ;
Todorovic et al., 1999 ; photographie 1).
Les plants sont placés dans l’enceinte de marquage (photographie 2). Cette enceinte de
marquage d’un volume totale de 1600 litres (en raison de volumes morts sous le plateau
soutenant les plantes), est composée d’une chambre en altuglas (1m X 1m X 0,70m).
L’intérieur de la chambre est régulé en lumière, en température et en hygrométrie. Ces
données seront précisées lors du descriptif de chaque expérimentation. La chambre en altuglas
est disposée dans une rigole contenant de l’eau à pH 5. L’eau assure un joint d’étanchéité qui
isole l’atmosphère de l’enceinte. L’acidité de l’eau empêche la formation de carbonates qui
pourraient piéger ainsi le CO2 de l'enceinte de marquage.
Afin de mesurer l’évolution de l’activité spécifique de l’atmosphère de la chambre lors du
marquage au
14
CO2, un analyseur de radioactivité β- en flux continu (A500TR, Packard
instrument , Co. Inc, CT, USA) est couplé à un analyseur de gaz infrarouge (IRGA, ADC 225
MK3, Hoddesdon, UK) et un système informatique (Figure 7). L’ensemble du système
permet de réguler très finement à la fois l’activité
14
C et la concentration en CO2 de la
chambre de marquage.
En revanche pour le marquage
13
CO2, l’activité
13
C ne peut être contrôlée pendant le
marquage. Ce n’est qu’a posteriori que l’abondance isotopique en
13
C (atom%
13
C) de
l’atmosphère de l’enceinte est contrôlée après analyse de la teneur en 13C de solution de soude
1M (100ml) ayant piégé une partie de l’air de la chambre (Annexe 2).
52
Matériels et méthodes
o
o
dm
pp
pe
12 CO
2
14
C -flux
détecteur
f
pp
pe
IRGA
f
Air sans CO2
c
pp
piège
NaOH
pa
eau
c
pp
Acide lactique
14
NaH CO 3
Figure 7: Dispositif de marquage des parties aériennes des plantes au
14
CO2,
13
CO2. c chaux sodée, dm :
débitmètre massique, f : filtre de 0,2µm, o : ordinateur, pp : pompe péristaltique ; pa : pompe aquarium ; pe :
piège à eau.
Photographie 1 : Pièges à soude contenant 200ml de
Photographie 2 : Enceinte de marquage contenant les
NaOH 1M permettant de mesurer la respiration
plantes. Ici ce sont les 24 plantes utilisées pour
rhizosphérique. Il y a un piège à soude par pot.
l’expérimentation décrite dans le chapitre E.
53
Matériels et méthodes
2.2. Déroulement du marquage : les étapes clés
La durée des marquages longs est fixée à 10 jours. Pour l’expérimentation décrite dans le
chapitre D, nous considérons également le fait que l’on souhaite caractériser le carbone
marqué « ancien » du carbone marqué « nouveau ». En revanche, la durée des marquages
courts est fixée à 1h ou 1h30, en fonction de l’assimilation des plantes juste avant le
marquage et 48h de chasse. L’activité spécifique de l’atmosphère en
14
C ou en
13
C sera
précisée lors de la description de chaque expérimentation. Ces 48 heures permettent
l’allocation du carbone récent dans tous les compartiments du système plante-sol. Ce temps
de chasse est choisi en fonction de travaux antérieurs effectués au laboratoire (Todorovic,
2000 ; Henry, 2004).
2.2.1. Production de 14CO2 et de 13CO2 dans l’atmosphère
La première étape du marquage consiste à augmenter le plus rapidement possible l’activité
spécifique de l’atmosphère de la chambre de marquage à la valeur souhaitée. Pour se faire,
une quantité ad hoc de NaH14CO3 ou de NaH13CO3 est ajoutée dans un réacteur contenant de
l’acide lactique 1M en excès (Figure 7).
Le dégagement de 14CO2 ou de 13CO2 est obtenu en ajoutant une solution de NaH14CO3 ou de
NaH13CO3 dans un flacon (réacteur) contenant de l’acide lactique 1M. Le mélange est agité
par un barreau aimanté tout au long du marquage.
Le réacteur est ensuite continuellement balayé par de l’air prélevé dans la chambre à l’aide
d’une pompe aquarium. L’air enrichi en 14CO2 ou en
13
CO2 est redirigé vers l’enceinte où il
barbote dans de l’eau acidifiée, ce qui permet de contrôler en permanence la circulation d’air
entre le réacteur et l’enceinte durant le marquage.
2.2.2. Maintien de l’activité spécifique dans la chambre
Les plantes assimilent le
14
CO2 ou le
13
CO2 présent dans la chambre de marquage par
photosynthèse. Pour maintenir la concentration en CO2 et l’activité spécifique constantes
pendant toute la durée du marquage, une pompe péristaltique reliée au système informatique
et au dispositif de contrôle gérant l’ensemble des régulations de l’enceinte, permet de délivrer
54
Matériels et méthodes
le
14
CO2 ou le
13
CO2 en fonction des besoins des plantes. En dehors de la période de
marquage, la concentration en CO2 est maintenue constante à l’aide de régulateurs de débit
AS (CTS bruts/vpm CO2
massique reliés au dispositif de contrôle (Figures 7, 8 & 9).
60
40
marquage
20
0
0
60
temps (minutes)
Figure 8 : Activité spécifique de la chambre pendant le marquage (exemple d’un marquage court de 1h). A la fin
du marquage, l’activité spécifique dans la chambre de marquage décroît rapidement grâce au fonctionnement
d’une pompe forçant l’air de l’enceinte à traverser un piège à chaux sodée piégeant le 14CO2 encore présent dans
l’enceinte de marquage.
vpm CO2
500
400
300
200
100
0
0
100
200
temps (minutes)
300
pendant le marquage
360 vpm +/- 7,7
Figure 9 : Evolution de la concentration en CO2 dans l’enceinte de marquage, avant, pendant le marquage et
après le marquage. Grâce au système informatique, la concentration en CO2 dans l’enceinte de marquage reste
constante tout au long de l’expérience.
55
Matériels et méthodes
2.2.3. Fin du marquage
A la fin de chaque marquage, une pompe force l’air de l’enceinte à passer à travers un piège à
CO2 de chaux sodée de grande capacité. Ce piège permet d’éliminer le
14
CO2 présent dans
l’enceinte à la fin du marquage. Parallèlement, pour les marquages courts au 14CO2, grâce au
dispositif de régulation, une bouteille injecte du 12CO2 pour maintenir la concentration en CO2
constante dans la chambre durant la période de chasse. Ainsi l’activité spécifique du
14
C
diminue sans variation de la concentration en CO2 dans la chambre de marquage. Il est
important de contrôler de manière précise la quantité de 14CO2 offerte aux plantes pendant le
marquage. Cela permet d’éviter un stress provoqué par des fluctuations de la photosynthèse
qui aurait alors des conséquences sur les flux de carbone dans la plante et vers le sol. Après
récolte, il est possible d’établir un bilan de 14C consommé en fonction de ce que les plantes
ont assimilé et de ce que l’on retrouve dans les différents compartiments analysés.
III. Marquage des parties aériennes des plantes au 15NH3
Pour l’expérimentation décrite dans le chapitre E, un marquage des parties aériennes au 15N a
été réalisé (Figure 10). Ce marquage consiste à faire assimiler aux feuilles du 15NH3 (Janzen
et Bruinsma, 1989 ; Janzen, 1989). Après avoir placé les plantes dans la chambre de
marquage et contrôlé la concentration en CO2 de l’atmosphère, le 15NH3 gazeux est vaporisé
dans l’atmosphère de la chambre de marquage pendant 15 minutes. Ce dernier est obtenu en
ajoutant un excès de NaOH 1M à une solution de sulfate d’ammonium à 10% (excès
isotopique de 10 atom%) d’azote 15 (15(NH4)2SO4) à l’aide d’une seringue, dans un réacteur
étanche. La quantité de
15
(NH4)2SO4 initialement présente dans le réacteur est définie de
manière à obtenir une concentration finale de 200µL.L-1 de NH3 dans la chambre de
marquage. Une pompe aquarium permet d’injecter le 15NH3 dans la chambre de marquage. La
concentration en NH3 de 200µL.L-1 a été choisi du fait qu’elle n’a aucune conséquence
toxique sur la plante et qu’elle permet d’obtenir un enrichissement isotopique suffisant du
végétal (Janzen et Bruinsma, 1989 ; Merbach et al., 2000). A la fin du marquage court au
14
CO2, le 15NH3 restant dans la chambre est piégé dans de l’acide chlorhydrique 1M. Durant
cette période de marquage, la concentration en CO2 dans l’enceinte est maintenue constante
grâce au dispositif de régulation, par injection de
56
12
CO2 issu d’une bouteille située à
Matériels et méthodes
l’extérieur de la chambre de marquage. Immédiatement après le marquage
15
N a lieu le
marquage au carbone 14.
dm
12CO
2
pp
pe
f
Eau
basique
pa
IRGA
o
15
NH3
NaOH + 15(NH4)2SO4
Figure 10 : Dispositif de marquage des plantes au 15NH3. Les plantes assimilent le 15N par leurs parties aériennes.
dm : débitmètre massique, o : ordinateur, pp : pompe péristaltique ; pa : pompe aquarium ; pe : piège à eau.
L’eau basique permet d’éviter le piégeage du 15NH3 pendant le marquage.
IV. Récolte
Pour chacune des trois expérimentations, des cylindres de PVC sont utilisés comme pot de
culture. Après chaque phase de culture, les plantes sont récoltées selon le même protocole
quelle que soit l’expérimentation (Figure 11).
La plante est coupée au niveau du collet. Les feuilles sont séparées du reste de la talle.
Lors de la récolte, le cylindre de PVC est vidé de son sol. Ce sol est séparé en sol adhérent
(SA) et en sol non adhérent (SNA) suivant un protocole standard décrit par Todorovic (2000).
Après avoir soigneusement secoué 10 fois le système racinaire, de manière à éliminer le sol
faiblement adhérent aux racines, le système racinaire est délicatement brossé afin de récupérer
le sol adhérent. Un tri méticuleux est effectué pour éliminer le maximum de fragments de
racines dans chaque fraction de sol. Les racines sont ensuite lavées avec une solution
57
Matériels et méthodes
isotonique de CaCl2 à 0,5M, éliminant le sol adhérent tout en évitant un choc osmotique qui
fragiliserait les structures du système racinaire et provoquerait un efflux de carbone des tissus
racinaires. Le sol adhérent et non adhérent récolté est ensuite homogénéisé et tamisé à 2mm.
Les échantillons de feuilles et de racines sont immédiatement congelés dans de l’azote liquide
et stockés à –30°C. Les échantillons de sol sont stockés à 4°C. Une aliquote de sol adhérent et
de sol non adhérent frais est rapidement prélevée afin d’analyser le carbone de la biomasse
microbienne. Le reste de sol ainsi que les échantillons végétaux sont ensuite lyophilisés, pesés
afin de déterminer la masse sèche et broyés jusqu’à l’obtention d'une poudre très fine afin de
permettre les analyses de carbone, azote, 14C, 13C ou encore 15N.
Parties aériennes
Racines après lavage au Cacl2
Racines et sol adhérent
Sol adhérent SA
Sol non adhérent SNA
Figure 11 : Protocole de récolte des plantes après la période de culture.
58
Matériels et méthodes
V. Analyses
5.1 Analyses du C de la biomasse microbienne : technique d’extraction fumigation
5.1.1. Principe
Le carbone de la biomasse microbienne des sols adhérents et des sols non adhérents est
analysé par la technique de fumigation extraction.
Cette technique repose sur la mesure du carbone organique microbien par différence entre le
carbone soluble contenu dans un échantillon fumigé par du chloroforme et celui du même
échantillon non fumigé (Vance et al., 1987). En effet, les vapeurs de chloroforme, en
détruisant les membranes des microorganismes présents dans l’échantillon de sol étudié,
provoquent la libération de leur contenu cytoplasmique dans la fraction soluble du sol. La
différence de teneurs en carbone soluble des échantillons exposés au chloroforme et des
échantillons non exposés correspond au carbone de la biomasse microbienne. Un facteur de
correction (Kec) caractéristique de la nature du sol est ensuite appliqué pour déterminer le
carbone total de la biomasse microbienne.
Formule :
C BM = (C échantillon exposé au Chloroforme – C échantillon non exposé) / Kec
Lors de l’ensemble de nos expérimentations, au vu du statut argileux des différents sols
utilisés, un facteur Kec =0,45 est utilisé (Beck et al., 1997). (Figure 12).
5.1.2. Pré-extraction
Cette étape permet d’éliminer tous les débris organiques (racines) et cailloux restants dans
l’échantillon de sol susceptibles de tronquer le résultat de l’analyse du carbone total de la
biomasse microbienne. Deux fois 10 g de sol frais (échantillon fumigé et échantillon non
fumigé) pesés dans un pilulier en verre sont mélangés avec 40 ml de K2SO4 0,05M puis agités
45 minutes à 40 tours min-1. La suspension est filtrée afin d’éliminer toutes impuretés, grâce à
un tamis de 500μm. La solution contenant le sol éliminé de tous débris est recueillie dans un
59
Matériels et méthodes
flacon. La suspension de sol est ensuite filtrée sur papier Whatman n°42 afin de ne récupérer
que le sol. C’est sur ce sol contenu dans le filtre que les étapes suivantes sont réalisées.
5.1.3. Fumigation des échantillons
Les filtres avec le sol destiné à être fumigé sont placés dans des piluliers en verre disposés
ensuite dans un incubateur contenant un peu d’eau dans sa partie inférieure afin de limiter le
dessèchement du sol au cours de la fumigation. Quelques gouttes de chloroforme sont
ajoutées à chaque échantillon fumigé. Un flacon contenant des billes de verre et 50 ml de
chloroforme sans éthanol ainsi qu’un flacon de chaux sodée permettant de piéger le CO2
éventuellement libéré sont placés dans l’incubateur. Ce dernier est ensuite hermétiquement
fermé grâce à de la graisse silicone. Le vide est ensuite fait dans l’incubateur jusqu’à ce que le
chloroforme soit porté à ébullition (-0,7 bar). L’incubateur est alors placé 24 h à 25°C à
l’obscurité.
Après incubation, l’incubateur est ouvert, le flacon de chloroforme retiré, puis afin d’éliminer
les vapeurs de chloroforme restantes, le vide est à nouveau effectué. Cette opération est
répétée six fois.
5.1.4. Extraction des échantillons fumigés et des échantillons non fumigés
Tout comme pour les échantillons de sols fumigés, les filtres contenant le sol non fumigé sont
placés dans un pilulier en verre. Ces échantillons fumigés et non fumigés d’un même sol sont
extraits avec 40ml de K2SO4 à 0,5M. Le K2SO4 permet de solubiliser le carbone. Les
échantillons sont agités grâce à un agitateur rotatif pendant 45 minutes à 40 tours min-1. Le
mélange est ensuite filtré sur papier Whatman n°42.
60
Matériels et méthodes
Même échantillon de sol
X2
2 aliquotes du même
échantillon de sol + volume
de K2SO4 (0,05M). Le
volume
de
K2SO4
correspond à 4 fois la
masse sèche de l’aliquote
de sol
Filtre
Agitation 45min à 40 tr.min-1
Chaux sodée
CHCl3 et billes de verre
Verser la solution à
travers un tamis de
500µm en lavant les
fragments de racines et les
cailloux avec du K2SO4
(0,05M)
Mettre sous vide l’intérieur de
la cloche et le placer à
l’obscurité à 25°C pendant 24h
Après
24h
évaporer
le
chloroforme et remettre 6 fois
sous vide afin d’éliminer toute
les vapeurs de chloroforme
Ajouter
un
volume
de
K2SO4 (0,5M)
correspondant
à 4 fois la
masse de sol
Filtrer la solution sur papier
Whatman n°42
Récupérer le filtre et son contenu
Sol fumigé
Sol non fumigé
Agitation: 45
min à 40
tr.min-1 puis
filtrer la
solution sur
papier
Whatman n°42
Figure 12 : Représentation schématique de la pré extraction, fumigation extraction (Vance et al., 1987).
61
Matériels et méthodes
5.2. Analyse du carbone total
5.2.1. Poudres des échantillons végétaux et de sol
Le C total est dosée par chromatographie en phase gazeuse par un auto analyseur carbone /
azote (Flash EA 1112, Thermo Finnigan). Une aliquote de poudre végétale (≈ 5 mg) ou de sol
(≈ 10mg) est pesée exactement dans une nacelle en étain. La nacelle subit une combustion à
1030°C sous un flux d’oxygène et d’hélium (débits de 220 ml min–1 et 120 ml min–1
respectivement). Les différents éléments résultant de la combustion seront séparés par
chromatographie sur colonne en phase gazeuse et détectés par catharométrie. La concentration
en carbone de l’échantillon est calculée à partir d’une calibration de l’appareil réalisée au
préalable avec un étalon d’atropine. Cette molécule présente un rapport C/N voisin de celui
du matériel végétal analysé.
5.2.2. Solutions
Le carbone organique et l’azote organique des solutions de K2SO4 issu des analyses du
carbone de la biomasse microbienne ainsi que le carbone respiré par les compartiments
souterrains piégés dans les pièges à soude sont quantifiés au COTmètre (Shimadzu TOCVCSH). Le principe de fonctionnement de l’appareil consiste en une combustion de
l’échantillon à 680°C effectuée en présence d’un catalyseur qui optimise la réaction
d’oxydation de la matière organique en CO2. La combustion à cette température offre
l’avantage de pouvoir analyser des échantillons ayant des matrices complexes, comme les
solutions chargées de sels. Un détecteur à infrarouge est employé pour mesurer le CO2 produit
par l’oxydation de l’échantillon. Combiné avec un catalyseur de combustion à grande
capacité, ce détecteur permet une limite de détection de l’ordre de 10ppb de carbone total.
L’azote organique est mesuré en chimiluminescence par l’analyseur azote TNM-1 (Shimadzu,
Japan) couplé en ligne au COTmètre.
62
Matériels et méthodes
5.3. Analyse des concentrations en glucides totaux dans les tissus végétaux
L’analyse des concentrations en glucides totaux dans les tissus racinaires est effectuée selon
le protocole établi par Dubois et al. (1956). Cette méthode permet l’analyse des glucides
simples, oligosaccharides, polysaccharides et de leurs dérivés. Environ 40mg de poudre de
racine sont ajoutés à 2ml d’éthanol à 80%. Cette étape correspond à l’extraction à l’éthanol
de la fraction de carbone soluble, principalement constituée de glucides. Le mélange est porté
à 80° dans un bain-marie pendant 15min et ensuite centrifugé 10 min à 10 000 rpm.
L’opération de centrifugation est répétée 2 fois afin de récupérer un maximum de glucides
dans la poudre de tissus racinaires. Le surnageant est récupérer et l’éthanol est évaporé
pendant une nuit au « Speed Vac ». Après évaporation, de l’éthanol, les glucides totaux sont
récupérés par dissolution dans l’eau distillée. Deux ml de la solution eau distillée + glucide
sont prélevés et mélangés à 1ml de phénol à 5% et 5ml d‘acide sulfurique concentré. Une
réaction colorimétrique survient alors, la coloration étant proportionnelle à la concentration en
glucides totaux dans la solution. Le tout est agité et mis à reposer 20min à 25- 30°C. Après
20min, l’absorption du mélange est mesurée par spectrophotométrie à 490 nm. Parallèlement
une gamme étalon est établie avec des solutions dont la concentration en glucides est connue.
Au final la concentration en glucides est exprimée en moles de glucides par kilogrammes de
racines en équivalent hexose.
5.4. Analyse du 14C
5.4.1. Echantillons végétaux
La radioactivité des organes végétaux est dosée par comptage en scintillation. Le flux de gaz
dégagé par la combustion des échantillons pour l’analyse C/N passe à travers un détecteur βen flux continu (A500TR, Packard instrument, Co. Inc, CT, USA) relié en série à la sortie de
l’auto analyseur C/N (Benoit et al., 1994). L’activité en 14C est ainsi mesurée.
5.4.2. Echantillons de sol
63
Matériels et méthodes
Du fait de la faible activité
14
C des échantillons de sol, l’analyse n’est pas possible avec le
détecteur β en flux continu (A500TR, Packard instrument , Co. Inc, CT, USA). Des aliquotes
de sol de 150 mg sont préparés dans des nacelles en cellulose contenant 100 mg de poudre de
cellulose favorisant ainsi la combustion de l’échantillon. La combustion des nacelles
s’effectue dans un auto oxidiser (Model 307, Packard, USA). Après combustion de
l’échantillon, le gaz dégagé est piégé dans 5 ml de Carbo Sorb (Packard, USA) mélangé à 5ml
de liquide scintillant Permafluor (Packard, USA). La radioactivité est ensuite comptée
pendant 10 minutes grâce à un compteur à scintillation liquide (Tri-Carb 2100 Tr, Packard,
USA).
5.4.3. Echantillons liquides
L’activité 14C des solutions de soude 1M utilisées pour piéger le 14CO2 issu de la respiration
rhizosphérique ainsi que des solutions de K2SO4 issues de l’extraction fumigation est mesurée
pendant 10 min sur un aliquote de 1ml de solution mélangée à 10 ml de liquide scintillant :
Ultima Gold (Packard, USA) pour le NaOH et Ultima Flo (Packard, USA) pour le K2SO4.
Dans l’Ultima Gold les solutions de K2SO4 ont tendance à rapidement décanter, faussant ainsi
les mesures d’émissions de rayonnement β. Il a par conséquent fallu tester d’autres liquides
scintillants permettant de conserver le mélange liquide scintillant-K2SO4 homogène pendant
le comptage. L’Ultima Flo s’est révélé être le mieux adapté (annexe 3).
5.4.4. Expression des résultats
Lors de chaque marquage, la quantité de carbone 14 consommée par les plantes est
déterminée, ce qui nous renseigne sur l’assimilation de ces plantes pendant le marquage. La
quantité totale de radioactivité retrouvée dans le système plante sol micro organismes
correspond à la somme du carbone 14 retrouvée dans chacun des compartiments analysés.
Ainsi, la différence entre la quantité de carbone 14 assimilé pendant le marquage et la quantité
de carbone 14 retrouvée dans le système plante sol micro organismes après récolte est
calculée. Elle permet de connaître la part de carbone perdue par respiration des parties
aériennes de toutes les plantes présentes dans l’enceinte de marquage, pendant la période de
chasse de 48 heures ayant suivi le marquage.
64
Matériels et méthodes
Après récolte, la proportion de radioactivité retrouvée dans chaque compartiment composant
le système plante sol micro organismes est exprimée par la proportion d’activité totale
retrouvée : % RTR. Il rend compte de la distribution relative du carbone 14 dans chaque
compartiment, en fonction de sa taille et de son activité métabolique. Il traduit la force de
puits d’un compartiment donné (Cralle et Heichel, 1985; Robin et al., 1987).
%RTR =
activité 14C (Bq) d’un compartiment donné
X 100
14
activité C (Bq) du système plante-sol complet
L’activité
14
C du système plante-sol complet correspond à la somme des activités en Bq
retrouvées dans les feuilles, les tiges, les racines, le volume de sol adhérent et de sol non
adhérent du pot, la respiration rhizosphérique et finalement dans la biomasse microbienne du
sol adhérent et du sol non adhérent.
5.5. Analyse du carbone 13 et de l’azote 15
Le statut radioactif
14
C des échantillons doublement marqués
14
C-13C ou
14
C-
15
N n’a pas
permis leur analyse en spectrométrie de masse dans un laboratoire à proximité acceptant les
échantillons marqués. C’est pourquoi les échantillons ont été envoyés au laboratoire isotopes
de l’Université de Davis en Californie aux USA qui accepte des échantillons radioactifs. La
spectrométrie de masse permet de mesurer la concentration en C et N total ainsi que l’excès et
l’abondance isotopique de carbone de masse 13 et d’azote de masse 15 pour chaque
échantillon.
Le carbone 13 piégé dans les solutions de NaOH 1M utilisées pour les mesures de la
respiration rhizosphérique et de l’abondance isotopique a posteriori de l’atmosphère du
marquage au 13C sont déterminées par ajout d’un excès de SrCl au NaOH. Le précipité formé
(SrCO3) est ensuite récolté après filtration et séchage.
De la même manière, les abondances isotopiques en
échantillons de plantes et de sol sont déterminées.
65
13
C (atom%) et en
15
N (atom%) des
Matériels et méthodes
Environ 10 mg de poudre végétale et 60 mg de poudre de sol sont pesés exactement dans des
nacelles en étain. Pour les échantillons de soude, 2mg de précipité de SrCO3 sont placés dans
les nacelles en étain.
L’abondance A est le rapport en pourcentage de l’isotope donné à l’ensemble des isotopes du
même élément (Avice, 1997).
L’abondance AN est directement donnée par le spectromètre de masse. Elle correspond pour
l’azote à :
15
AN =
14
N
N + 15N
X 100
Pour le carbone 13, le spectromètre de masse fourni des valeurs en unités delta (δ) qui
permettent de calculer le ratio R = 13C / 12C de l’échantillon :
R= ((
δ13C échantillon
1000
) +1) X 0,0112372
Avec RPDB = 13C / 12C = 0,0112372, valeur internationale de l’abondance 13C de la bélemnite
de Pee Dee (PDB) correspondant à 0 δ (0‰).
Dès lors, l’abondance (Ac) en 13C de l’échantillon est calculé de la façon suivante :
R échantillon
A% = (
R échantillon + 1
) X 100
L’excès isotopique E est la différence entre l’abondance isotopique d’un échantillon et celle
d’une référence. Des échantillons non marqués en carbone 13 et en azote 15 de chaque
composé sont analysés afin de déterminer l’abondance naturelle. Ils sont analysés en
spectrométrie de masse afin de déterminer l’abondance naturelle en
13
C et en
15
N (A%AN).
Par conséquent,
EC(%) = AC (%) – A%AN
EN(%) = AN (%) – A%AN
Pour le carbone 13, nos dosages, réalisés sur des échantillons non marqués ayant subit le
même traitement que les échantillons marqués, montrent que A%AN = 1,106923 dans les
échantillons végétaux, A%AN = 1,084038 dans les échantillons de sol et A%AN = 1,084016
66
Matériels et méthodes
dans les échantillons de SrCO3 issus des pièges à soude. Pour l’azote 15, A%AN = 0,3663 dans
les échantillons végétaux (Avice, 1997) et A%AN = 0,3708 dans les échantillons de sol (HoghJensen et Schjoerring, 2001).
67
Contribution du carbone nouvellement assimilé à la rhizodéposition
D. CONTRIBUTION DU CARBONE NOUVELLEMENT ASSIMILE A
LA RHIZODEPOSITION
Les graminées pérennes accumulent des réserves (fructanes notamment) à la base des talles et
dans les racines (Morvan-Bertrand et al., 1999 a, b). Ces réserves sont remobilisées lors de la
repousse printanière, après chaque coupe et contribuent également lors de la nuit à
l'alimentation en C des puits. Par conséquent, le carbone circulant dans la plante provient non
seulement des assimilats récents issus de la photosynthèse mais également de la
remobilisation de ces réserves. Les mécanismes de mobilisation-remobilisation du carbone
dans la plante et la part du carbone issu des réserves par rapport à celle du carbone récemment
assimilé pour la repousse d'un organe par exemple sont maintenant bien connus, en raison de
nombreux travaux d'écophysiologie de la plante entière sur ce thème (Morvan-Bertrand et al.,
1999 a, b ; Johansson, 1993).
En revanche, on ignore encore largement quelle est la contribution du carbone issu de la
remobilisation des réserves dans les transferts de carbone à la rhizosphère. Les études visant à
quantifier la rhizodéposition s'intéressent au C récent et ignorent le C des réserves ou font
l'hypothèse qu'il ne contribue pas significativement à l'efflux de C à la rhizosphère. Le
carbone récemment assimilé par la plante constitue une part importante, mais certainement
pas exclusive du carbone rhizodéposé (Meharg et Kilham, 1988). En déterminant les
variations nycthémérales de la respiration rhizosphérique, Todorovic (2000) suggère que le C
remobilisé à partir de l'amidon des feuilles contribue significativement à la rhizodéposition du
maïs. Les études menées jusqu'à présent sur la rhizodéposition dans l'équipe « rhizosphère »
se sont intéressées au carbone récent (par marquages courts au
14
C) ou au carbone sans
distinction de son origine (C récent et/ou remobilisé). Il est souvent fait l'hypothèse que les
flux de rhizodéposition sont composés majoritairement de C récemment assimilé par les
feuilles, transporté aux racines et libéré de manière passive dans le sol. L’allocation des
photoassimilats récents se fait majoritairement vers les jeunes axes racinaires (Matthew et
Kemball, 1997). Ainsi on peut supposer que le carbone libéré au niveau des axes racinaires
plus anciens correspond à du carbone plus anciennement assimilé par la plante. D’autre part il
a été montré que la nature biochimique des exsudats était différente en fonction de leur
origine le long du système racinaire (Jaeger et al., 1999). La nature biochimique des
rhizodépôts étant un facteur de structuration des micro-organismes rhizosphériques, le
68
Contribution du carbone nouvellement assimilé à la rhizodéposition
fonctionnement de la rhizosphère s'en trouve ainsi influencé ce qui a pour conséquence
possible une rétro-action sur la croissance et le développement de la plante. Pour cette raison,
il est important de connaître la contribution à la rhizodéposition du carbone "ancien" et du
carbone "récent".
L'objectif de cette étude est d'évaluer l'importance de la contribution des assimilats
récents à la rhizodéposition du ray grass cultivé sur du sol.
Pour cela, deux approches expérimentales ont été envisagées. La première repose sur
l'utilisation de 2 sources de CO2 ayant des abondances en
13
C différentes (δ13C= +200‰ et
δ13C= -45‰) permettant de réaliser un double marquage long des plantes et suffisamment
discriminant pour pouvoir quantifier la contribution de la plante au carbone présent dans la
rhizosphère. Il est impératif de choisir un sol présentant un historique de culture de plante de
type C4, c’est à dire avec un δ13C de sa matière organique avoisinant -12‰. Après les 2
marquages, en fonction de la signature isotopique d’un compartiment donné, on peut
quantifier le carbone présent dans un compartiment donné préférentiellement composé de
carbone issu du premier marquage ou de carbone issu du second marquage. Or, dans notre cas
(ray grass cultivé sur sol), la signature isotopique du sol influence fortement celle des
compartiments analysés et notamment au niveau de la rhizosphère (le C issu de la plante vient
se « diluer » dans une masse importante de C de la matière organique du sol). Les calculs que
nous avons effectués montrent que la discrimination n'est pas suffisante pour quantifier le
processus dans le pas de temps imparti pour l'étude de la rhizodéposition (annexe 4). La
deuxième approche consiste à enrichir les plantes en deux isotopes différents du carbone, par
exemple 14C puis 13C successivement, pour marquer de manière différente le carbone ancien
et le C récent (Schnyder, 1992 ; Deléens et al., 1994 ; Gebbing et al., 1999). Nous avons opté
pour cette approche. Les contraintes étaient de pouvoir réaliser deux marquages longs
consécutifs et de pouvoir analyser au spectromètre de masse l’abondance isotopique en
13
C
d'échantillons radioactifs (marqués au 14C). Ceci a été possible en envoyant les échantillons à
analyser au laboratoire Isotopes de l’Université de Davis en Californie (USA).
Ainsi, un premier marquage long des plantes au
14
CO2 permet de tracer le carbone ancien,
13
puis un second marquage long au CO2 permet de tracer le carbone plus récemment assimilé
par la plante. Ainsi, dès le début du second marquage long, on peut: i) déterminer l’origine du
carbone libéré par les racines (14C ou
13
C), ii) établir une cinétique de libération du carbone
dans le sol iii) quantifier la contribution des 2 isotopes au flux de respiration rhizosphérique.
69
Contribution du carbone nouvellement assimilé à la rhizodéposition
I. Matériel et méthodes
1.1. Conditions de culture
1.1.1. Le sol
Le sol a été collecté sur un dispositif expérimental de terrain installé au domaine du Lycée
agricole du Rheu en Bretagne (35) sur lequel l’équipe avait une expérimentation en cours
(Action "Porcherie Verte"). Ce sol, composé de 18% d’argile, 23% de limon fin, 42% de
limon grossier, 10% de sable fin et 7% de sable grossier, permet de collecter facilement les
racines et de séparer le sol adhérent du reste du sol. Le pH de ce sol est de 6,4.
1.1.2. Les plantes
Des graines de ray grass (Lolium perenne) c.v. Canasta sont mises à germer sur papier filtre
humide dans des boîtes de Pétri. Quatre jours plus tard, les plantules sont repiquées dans des
tubes en PVC de 10 cm de hauteur et 6 cm de diamètre, rempli de sol à une densité de 1,3
kg.L-1 (soit 308 g de sol sec). Quarante huit tubes sont mis en culture. Afin d’assurer la reprise
d’au moins une plantule, 3 plantules sont repiquées par pot. Une fois la reprise d’au moins
une plantule assurée, les deux autres sont éliminées.
1.2. Dispositif expérimental
1.2.1. Dispositifs de culture
Chaque dispositif est constitué de 2 compartiments. Un premier compartiment dit
"compartiment racines" est le tube en PVC dans lequel les plantes ont été mises à germer. Un
couvercle en PVC (percé en son milieu pour permettre le passage de la plante) est soudé à la
partie supérieure. Ainsi, l'atmosphère du compartiment "racines" peut être isolée
hermétiquement de l'atmosphère des parties aériennes afin de balayer ce compartiment par un
flux d'air pour les mesures de la respiration rhizosphérique lors des marquages. Un second
compartiment en PVC dit "compartiment rhizosphère" (5cm de hauteur, 6cm de diamètre,
rempli exactement de 154 g de sol sec, à même densité que le précédent) est emboîté dans la
70
Contribution du carbone nouvellement assimilé à la rhizodéposition
partie inférieure du compartiment racine à l'aide d'un collier (Figure 13). Une toile en nylon
(Nytrel TI 45, Sefar Fyltis, France) d'une maille de 1µm, permet de maintenir les échanges
gazeux, et de solution de sol tout en empêchant les racines et les hyphes mycéliens des
mycorhizes d'explorer le compartiment 'rhizosphère'. Les deux compartiments sont ensuite
scellés avec du mastic souple (Térostat, ruban de Normandie) (Figure 13). Le système
racinaire de la plante repiquée dans le compartiment "racines" forme un tapis racinaire au
contact de la toile et influence, de part la libération de composés organiques et de
modifications physico-chimiques et biologiques, une zone de sol dans la partie supérieure du
compartiment rhizosphère. Cette zone en contact, au travers de la toile de nylon, avec les
racines de la plante sera définie arbitrairement comme du sol rhizosphérique sur une épaisseur
de 5mm.
A la récolte, tout le sol du compartiment racine sera considéré comme du sol adhérent aux
racines du fait de la colonisation importante de ce compartiment par le système racinaire.
Trous permettant l’arrosage et la
mesure de la respiration rhizosphérique
Compartiment racine : hauteur = 10cm
Toile de nylon
permettant la
formation du
tapis de racine
Compartiment rhizosphère: hauteur = 5cm
Figure 13 : Schéma d'un dispositif de culture, constitué de deux compartiments en PVC s’emboîtant l’un dans
l’autre grâce à un collier en PVC de plus gros diamètre. Ces 2 compartiments sont séparés par une toile de nylon
de maille 1µm n'autorisant pas les racines à pénétrer dans le compartiment inférieur mais permettant la diffusion
des composés organiques libérés par les racines. La partie supérieure est définie comme étant le compartiment
« racine », la partie inférieure comme le compartiment « rhizosphère ».
71
Contribution du carbone nouvellement assimilé à la rhizodéposition
1.2.2. Culture des plantes
Après avoir été repiquées, les plantes sont cultivées pendant 28 jours en phytotron
(Photographie 3). Les conditions environnementales de culture sont les suivantes : 14h de
photopériode, 22°C et une intensité lumineuse de 360µmol.m-2.sec-1. Deux jours après le
repiquage, l’humidité de chaque compartiment est ajustée à 60% de la capacité au champ avec
une solution nutritive N, P, K de Hoagland (équivalent à 270 kg N.ha-1, 95 kg P.ha-1 et 172 kg
K.ha-1 sous forme de Na2HPO4, KNO3, Ca(NO3)2). Les plantes sont ensuite arrosées
régulièrement avec de l’eau distillée de manière à maintenir l’humidité du sol constante (60%
de la capacité au champ (Annexe 5).
Après 28 jours de culture en phytotron, la formation d'un tapis de racines sur la toile de nylon
du compartiment « racines » est vérifiée (Photographie 4). Quatorze plantes, présentant le
même niveau de développement, sont alors sélectionnées et transférées dans la chambre de
marquage. Les conditions climatiques dans la chambre de marquage sont fixées et régulées de
manière identique à celles dans le phytotron de croissance. La pression partielle en CO2 dans
la chambre est régulée à 36Pa pCO2 par un analyseur infra-rouge (ADC 225 MKIII) couplé à
un régulateur de débit massique.
1.3. Marquage long des parties aériennes au 14C et au 13C et récolte
Les modalités de marquage sont décrites dans le chapitre 'Matériels et Méthodes'. La figure 14
décrit les différentes étapes de l’expérimentation.
Deux marquages longs consécutifs (le premier au 14C, le second au 13C), chacun d'une durée
de 10 jours, sont effectués. Après avoir mesuré l'assimilation nette de CO2 des plantes lors de
leur mise en place dans l’enceinte de marquage, l’activité spécifique 14C de l’atmosphère est
ajustée à 4 KBq mg C-1. Pour le
13
C, l'excès isotopique en 13C est fixé à 5% (5 atom % 13C en
excès).
L’ensemble des paramètres de marquage est régulé pendant la photopériode. Pour permettre
l'arrosage des plantes à 60% de la capacité au champ, l'enceinte est ouverte tous les deux jours
en fin de nuit après la purge du
14
CO2 ou du
13
CO2 présent dans l'enceinte sur un piège à
chaux sodée. Une fois l’arrosage effectué, l’enceinte est refermée et le marquage est de
nouveau mis en place selon le protocole décrit en 'Matériels et Méthodes'. Lors des 4 premiers
72
Contribution du carbone nouvellement assimilé à la rhizodéposition
jours de marquages au 13C, la chambre est purgée à la fin de chaque nuit afin d'éviter une réassimilation par les feuilles du 14C susceptible d’avoir été respiré par les plantes.
Après les 10 jours de marquage au
14
C, 7 plantes sont récoltées afin de déterminer la
répartition du 14C. Les 5 premiers mm de sol au contact des racines de chaque compartiment
'rhizosphère' sont séparés du reste du sol.
Pour chaque plante restante, le compartiment "rhizosphère" est remplacé par un compartiment
"rhizosphère" issu d'un dispositif similaire avec une plante cultivée en phytotron et conduite
de la même manière que celle dans l’enceinte de marquage.
La substitution, à des intervalles de temps réguliers (3, 6, 8 et 10 jours après le début du
marquage au
13
C), des compartiments « rhizosphère » et des pièges à soude (NaOH 1M)
permet d'estimer la proportion
14
C /
13
C libéré par le tapis racinaire retrouvée dans les 5
premiers mm de sol du compartiment « rhizosphère », ainsi que les quantités d'isotopes et la
proportion
14
C /
13
C retrouvée dans la respiration rhizosphérique. Ainsi, une cinétique
d'allocation de C marqué à la rhizosphère ainsi qu'une cinétique de la respiration
rhizosphérique peuvent être établies.
A la fin du second marquage, les 7 plantes sont récoltées.
Le carbone de la biomasse microbienne du compartiment racine et du compartiment
rhizosphère est mesuré. Dans le compartiment rhizosphère les 5 premiers mm de sol sont
échantillonnés séparément du reste du compartiment, permettant de détecter un éventuel
« effet rhizosphère » induit par le tapis racinaire au travers la toile de nylon.
1.4. Expression des résultats
Afin de quantifier les isotopes
13
C et
14
C provenant du premier marquage et du second
marquage, des unités comparables et quantitatives pour le
14
C et pour le
13
C doivent être
utilisées. Les activités en 14C exprimées en KBq et les excès isotopiques en 13C exprimées en
atom % sont converties en mg de 14C et de 13C (Johansson, 1993 ; Crawford et al., 2000).
Ainsi pour le 14C, les quantités de 14C dans chaque compartiment sont calculées en faisant le
rapport entre l'activité en 14C en KBq et l’activité spécifique (AS) de l’atmosphère pendant le
marquage (fixée à 4KBq mg C-1).
14
14
C (mg) =
C (KBq)
AS atmosphère (KBq.mgC-1)
73
Contribution du carbone nouvellement assimilé à la rhizodéposition
L’abondance naturelle en
13
C du sol et des plantes est mesurée sur une série de plante non
marquées cultivées en phytotron dans les mêmes conditions que les plantes marquées. Ainsi,
les excès isotopiques 13C peuvent être calculés.
Les quantités en
quantité de
13
13
C dans chaque compartiment sont calculées en faisant le rapport entre la
C dans un compartiment et l’excès isotopique de l’atmosphère pendant le
marquage (5 atom % en excès).
(Atom % 13C en excès d’un compartiment donné) X (masse totale de C du compartiment (mg))
C (mg) =
Atom % 13C en excès de l’atmosphère
13
Les données de répartition du carbone 13 dans le système plante-sol sont exprimées en % de
la masse totale de carbone 13 retrouvée dans le système.
13
%T C retrouvé =
Masse de 13C dans un compartiment donné en mg
Masse totale de 13C dans le système en mg
X 100
1.5. Analyses statistiques
Les données sont analysées suivant un modèle en randomisation totale, avec six répétitions.
Des analyses de variances sont effectuées grâce au logiciel JMP IN©, SAS institute. Les
différences sont considérées comme significatives à 5%. Sur les figures, les barres verticales
correspondent à 2 intervalles de confiances de la moyenne.
74
Contribution du carbone nouvellement assimilé à la rhizodéposition
Photographie 3 : Plantes cultivées pendant 28 jours en phytotron et placées dans l’enceinte de marquage.
Photographie 4 : Le pot a été retourné et la toile de nylon découpée afin d’observer le tapis de racine formé sur la
toile de nylon à l’interface entre le compartiment racine et le compartiment rhizosphère.
75
Contribution du carbone nouvellement assimilé à la rhizodéposition
II. Résultats
2.1. Production de biomasse
Entre la fin du premier marquage (14C) et la fin du second marquage (13C), la production de
biomasse totale des plantes augmente de 244% (P<0,001, Figure 15, Tableau 3). La
répartition de biomasse entre les parties aériennes et les racines (ratio PR/PA) reste la même
entre les deux dates de récolte (P=0,167).
Statistiques
Parties aériennes
Racines
Totale
PR/PA
valeur de F
109
26
99
2,41
Proba
<0,001
<0,001
<0,001
>0,05
Tableau 3: Analyses statistiques de la production de biomasse (parties aériennes, racines et totale) et du ratio de
biomasse PR/PA des plantes récoltées à la fin du premier (14C) et à la fin du second marquage (13C). Seuil de
significativité 5% ; n=7.
2.2. Répartition du carbone dans la plante et dans le sol
2.2.1. Répartition du carbone à la fin de chaque marquage : 14C lors du premier marquage et
13
C lors du second marquage
La répartition du carbone dans les plantes reste la même aussi bien après le premier marquage
qu’après le second marquage (P=0,339 et P=0,505 respectivement pour les parties aériennes
et les racines). De même, globalement, l’allocation de carbone au sol (sol du compartiment
racine + sol du compartiment rhizosphère + respiration rhizosphérique) est comparable entre
les deux dates de récoltes (P=0,354) ; (Figure 16, Tableau 4).
Statistiques
Parties aériennes
Racines
Sol
valeur de F
1,00
0,47
0,94
Proba
0,339
0,505
0,354
Tableau 4: Analyses statistiques de la répartition du 14C à la fin du premier marquage et du 13C à la fin du second
marquage dans les parties aériennes, les racines de la plante et le sol (sol adhérent des compartiments racines et
rhizosphères, le sol non adhérent du compartiment rhizosphère et la respiration rhizosphérique) Seuil de
significativité 5% ; n=7.
76
Contribution du carbone nouvellement assimilé à la rhizodéposition
2.2.2. Répartition du carbone 13 et du carbone 14 à la fin du second marquage
A la fin du second marquage (13C), une proportion plus importante de carbone 13 que de
carbone
14
est
retrouvée
dans
les
parties
aériennes
(P=0,004).
En
revanche,
proportionnellement moins de carbone 13 que de carbone 14 est alloué aux racines (P=0,009)
et au sol (P=0,004) (Figure 16 et Tableau 5).
Statistiques
Parties aériennes
Racines
Sol
valeur de F
14,00
10,25
13,16
Proba
0,004
0,009
0,004
Tableau 5: Analyses statistiques de la répartition du 14C et du 13C à la fin du second marquage dans les parties
aériennes, les racines de la plante et le sol (sol adhérent des compartiments racines et rhizosphères, le sol non
adhérent du compartiment rhizosphère et la respiration rhizosphérique) Seuil de significativité 5% ; n=7.
récolte 1
2,50
récolte 2
g. plante -1
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
PA
Racines
Totale
Figure 15: Production de biomasse (Parties aériennes PA, racines, biomasse totale exprimées en g . plante-1) des
plantes récoltées à la fin du premier (récolte 1, 14C) et à la fin du second marquage (récolte 2, 13C).
77
Contribution du carbone nouvellement assimilé à la rhizodéposition
Sol
Racines
14
80
13
C
C
Parties aériennes
60
14
C
40
20
%TR
0
20
40
Fin du 1 er
marquage
60
Figure 16 : Répartition du
Fin du 2
nd
marquage
14
C à la fin du premier marquage ainsi que du
13
C et du
14
C à la fin du second
marquage dans la plante et le sol. Les résultats sont exprimés en % total retrouvé.
2.3. Contribution des deux sources de carbone à la rhizodéposition
Le prélèvement régulier des compartiments "rhizosphère" pendant le second marquage permet
d’établir une cinétique de libération du carbone dans le sol adhérent. Jusqu’au prélèvement
effectué 6 jours après le début du marquage
13
C, plus de composés organiques-14C que
13
C
sont libérés dans le sol (P<0,001). Trois jours après le début du marquage au 13C, le carbone
marqué présent dans le compartiment rhizosphère est composé de 9 % de 13C et de 91 % de
14
C. A 6 jours, on retrouve 40 % de 13C et 60 % de 14C. Au delà du 6eme jour de marquage, la
quantité de 13C libérée par les racines devient plus importante que la quantité de 14C (P=0,003
à 8 jours). Lors du dernier prélèvement, soit 10 jours après le début du marquage 13C, 94 % du
carbone marqué présent dans le sol adhérent du pot inférieur est du carbone 13, les 6 %
restants étant du carbone 14 (P<0,001) (Figure 17 et Tableau 6).
Le remplacement régulier des pièges à soude au cours du second marquage (au 13C) permet de
quantifier la part de
14
C et
13
C retrouvé dans la respiration rhizosphérique, la respiration
rhizosphérique incluse une fraction du C rhizodéposé (Figure 18 et Tableau 7). Jusqu’au 6eme
jour après le début du marquage
13
C, les quantités de
14
C retrouvées dans la respiration
rhizosphérique dépassent celles du 13C (P<0,001 à 3 jours et P=0,035 à 6 jours). Trois jours
78
Contribution du carbone nouvellement assimilé à la rhizodéposition
après le début du marquage au 13C, la respiration rhizosphérique est composée pour 86% de
14
C et 13% de
13
C. A six jours, les proportions passent à 60 % de
revanche, 8 jours après le début du marquage, plus de
13
C que de
14
14
C et 40% de
13
C. En
C est retrouvé dans la
respiration rhizosphérique (P=0,011). A la fin du marquage, soit 10 jours après le début du
marquage, la respiration rhizosphérique est composée à 81% par du 13C et à 19 % par du 14C.
Statistiques
3 Jours
6 Jours
8 Jours
10 Jours
14C
13C
50
45
-1
µg. g SA
40
Valeur de F
54
3,23
14
41
Proba
<0,001
0,102
0,003
<0,001
35
Figure 17 et Tableau 6: La figure représente la
30
cinétique de libération du 14C et du 13C dans le sol
adhérent du compartiment rhizosphère (exprimé en
25
µg de C marqué par g de sol adhérent) à J3, J6, J8
20
et J10 après le début du marquage au
13
C. Les
15
barres verticales représentent les intervalles de
10
confiance.
Le
tableau
présente
les
valeurs
statistiques issues de la comparaison des masses de
5
14
C et de 13C libérées par les racines à J3, J6, J8 et
0
3
6
8
J10 après le début du marquage au
10
temps (jours)
C. Les
différences sont significatives à 5 %, n=7.
Statistiques
3 Jours
6 Jours
8 Jours
10 Jours
14C
13C
140
120
Valeur de F
28
6,2
40
7,5
Proba
<0,001
0,031
<0,001
0,02
Figure 18 et Tableau 7: La figure représente la
100
cinétique de l’allocation du
80
14
C et du
13
C à la
respiration rhizosphérique (exprimé en µg de C
-1
µg. g SA
13
marqué par g de sol adhérent) à J3, J6, J8 et J10
60
après le début du marquage au
13
C. Les barres
verticales représentent les intervalles de confiance.
40
Le tableau présente les valeurs statistiques issus de
la comparaison des masses de 14C et de 13C allouées
20
à la respiration rhizosphérique à J3, J6, J8 et J10
0
3
6
8
après le début du marquage au 13C. Les différences
10
sont significatives à 5 %, n=7.
temps (jours)
79
Contribution du carbone nouvellement assimilé à la rhizodéposition
2.4. Biomasse microbienne
La biomasse microbienne des 5 premiers mm de sol du compartiment rhizosphère n’est pas
significativement différente des 45 mm de sol suivant pendant les 3 premiers jours du
marquage au carbone 13. Dès le 6eme jour, un effet rhizosphère significatif est mis en évidence
(P=0,011 ; P<0,001 et P< 0,001 respectivement après 6, 8 et 10 jours). La biomasse
microbienne est plus importante dans les 5 premiers mm de sol du compartiment rhizosphère
que dans les 45 mm suivants (Tableau 8). La biomasse microbienne du sol du compartiment
racine n’est pas significativement différente de celle des 5 premiers mm de sol des
compartiments rhizosphère prélevés 6, 8 et 10 jours après le début du marquage au
13
C
-1
(P>0,5 ; 142 mg C. kg ). Lors des 3 premiers jours de marquage, la biomasse microbienne est
significativement plus importante dans le compartiment racine que dans le compartiment
rhizosphère.
Jour de
C microbien du compartiment
Effet rhizosphère
prélèvement du
rhizosphère (mg C. kg-1)
compartiment
rhizosphère
SA
SNA
Valeur de F
Proba
0
44,5 (9,26)
50,6 (18,6)
0,35
0,568
3
86,8 (22,6)
74,9 (23,1)
0,25
0,627
6
96,8 (19,7)
64,4 (12,9)
9,03
0,011
8
175 (43,1)
95,6 (14,8)
17,1
<0,001
10
160 (19,3)
83,1 (15,4)
30,5
<0,001
Tableau 8 : Carbone microbien du sol adhérent (SA, 5 premiers mm de sol) et du sol non adhérent (SNA, 45mm
de sol suivant) dans le compartiment rhizosphère 0, 3, 6, 8, 10 jours après le début du marquage au
13
C. La
différence significative de biomasse entre SA et SNA correspond à l’effet rhizosphère. Il est significatif au seuil
de 5% (n=7).
80
Contribution du carbone nouvellement assimilé à la rhizodéposition
III. Discussion
La plupart des études visant à quantifier les flux de carbone vers la rhizosphère s'intéressent à
la répartition du carbone récemment assimilé par la plante sans que l'on connaisse la
contribution du carbone remobilisé à partir des pools de réserve. C'est pourquoi, nous avons
établi un protocole expérimental visant à évaluer si la rhizosphère pouvait être alimentée
significativement à partir de C plus anciennement fixé par la plante. Au-delà de ce
questionnement scientifique, cette expérimentation avait pour objectif d'évaluer la faisabilité
d'un double marquage sur plusieurs photopériodes consécutives, ce qui n'avait pas encore été
réalisé dans le laboratoire.
3.1. Répartition du carbone dans la plante
Aussi bien après 38 jours qu’après 48 jours de croissance et malgré une augmentation de
biomasse de 244%, l’allocation de carbone aux différents organes de la plante est identique.
La répartition de biomasse est également similaire entre les deux récoltes puisque le ratio PR /
PA n’est pas différent. Ainsi les parties aériennes et les racines ont un taux de croissance
équivalent au cours du temps, malgré l'accroissement significatif de la biomasse de la plante.
Ce schéma d’allocation est identique à celui obtenu dans d’autres expérimentations décrivant
la répartition du carbone récemment assimilé dans la plante (Rattray et al., 1995 ; Swinnen et
al., 1994a ; Johansson, 1992 ; Crawford et al., 2000 ; Butler et al., 2004). Cette stabilité de la
répartition du carbone dans la plante était une condition nécessaire pour étudier les flux vers
la rhizosphère. En effet, sur ces jeunes plantes au stade végétatif de croissance, une
modification de l’allocation de carbone aux racines entre les 2 échantillonnages aurait pu
signifier une limitation de la croissance du système racinaire par le dispositif de culture. En
conséquence, la rhizodéposition aurait pu être affectée. Notre dispositif expérimental
n’entraîne pas de limitation de la croissance de la plante et notamment du système racinaire.
Les plantes étant au stade végétatif de croissance, il n’y a donc pas de réorientations majeures
de C dans la plante comme cela peut être par exemple le cas lors de l'épiaison.
La répartition du carbone 14 (admis comme étant du carbone plus anciennement assimilé) et
du
13
C (admis comme étant du carbone plus récemment assimilé) dans les plantes lors de la
récolte finale, c’est à dire à la fin du marquage au 13C, montre que plus de carbone récent que
de carbone ancien est retrouvé dans les parties aériennes et dans les racines. Les parties
81
Contribution du carbone nouvellement assimilé à la rhizodéposition
aériennes et les racines des plantes présentent l’excès isotopique en
13
C le plus élevé de
l’ensemble des compartiments analysés (Tableau 9). L’excès isotopique de la respiration
rhizosphérique est proche de celui de la plante, alors que celui du sol des compartiments
racine et rhizosphère (cumul des 4 compartiments prélevés au cours du marquage) est
beaucoup plus faible. Ainsi, le carbone retrouvé dans la respiration rhizosphérique vient très
probablement majoritairement de la respiration racinaire. Nos résultats sont en accord avec
ceux publiés très récemment par Thornton et al. (2004), sur des ray grass cultivés en
hydroponie successivement dans deux atmosphères distinctes ayant des signatures isotopiques
13
C contrastées. Après le changement de la signature isotopique de l’atmosphère, la signature
isotopique des parties aériennes des plantes évolue de manière linéaire vers celle de la
nouvelle atmosphère.
Tableau 9 : Excès isotopique dans les différents compartiments de notre dispositif de culture (Parties aériennes
des plantes, racines, sol adhérent (SA) du compartiment racine, sol rhizosphérique (SR) du compartiment
rhizosphère) après 10 jours de marquage au carbone 13 avec un excès isotopique de 5 atom %.
Parties aériennes
Racine
SA Compartiment racine
SR Compartiment rhizosphère
Respiration rhizosphérique
Excès isotopique (atom%)
1,330642
1,193525
0,017685
0,026447
1,311435
3.2. Contribution du carbone récemment assimilé à la rhizodéposition
Comme pour la répartition de la biomasse, la répartition du carbone récemment assimilé (en
% du total retrouvé) dans la plante et le sol est restée la même pendant toute
l’expérimentation. Seule la répartition entre compartiment racine et compartiment rhizosphère
diffère. A la fin du premier marquage, le tapis racinaire n’étant pas encore complètement
développé sur la toile, le C récent (14C) est majoritairement retrouvé dans le compartiment
« racine ». Ensuite, en raison du développement des racines sur la toile nylon qui sépare les 2
compartiments, le carbone récent (13C) est majoritairement alloué au compartiment
rhizosphère à la fin du second marquage.
82
Contribution du carbone nouvellement assimilé à la rhizodéposition
Nos résultats permettent de mettre en évidence l’évolution de la quantité de carbone ancien
(14C) et de carbone récent (13C) présente dans le compartiment rhizosphère et retrouvé dans la
respiration rhizosphérique. En raison des précautions prises lors des arrosages, le carbone
marqué retrouvé dans le compartiment rhizosphère ne peut pas être issu du lessivage de
composés carbonés libérés dans le compartiment « racines ». En effet, l’arrosage a été
effectué par capillarité depuis la base des pots de cultures lors de chaque échantillonnage des
compartiments rhizosphère. Le C retrouvé dans le compartiment « rhizosphère » provient
donc bien du tapis racinaire.
Contrairement à ce que nous attendions, plus de carbone anciennement assimilé (14C) que de
C récemment assimilé (13C) est retrouvé dans le compartiment rhizosphère et la respiration
rhizosphérique au début du second marquage. Ce n’est que 6 jours après le début du
marquage au 13C que la part de 13C libérée par la plante dans le compartiment rhizosphère et
dans la respiration rhizosphérique augmente et va constituer la majeure partie du carbone
libéré par la plante et du C respiré. La quantité de carbone ancien libérée diminue ensuite et
fini par se stabiliser. Cette fraction de carbone ancien correspond probablement pour partie à
du carbone issu de la minéralisation de racines fines et de débris racinaires à proximité de la
toile. La libération de carbone dans le sol par cette voie ayant lieu à une échelle de temps plus
longue que celle de la rhizodéposition, on retrouve cette fraction de carbone ancien dans le
pool de carbone libéré par la plante et dans la respiration rhizosphérique pendant plus
longtemps que la fraction correspondant au carbone rhizodéposé. On ne peut cependant pas
exclure une re-circulation dans la plante de carbone issu de composés plus anciens.
D’autre part, la quantité de C total libérée par le tapis racinaire dans le compartiment
rhizosphère est largement accrue entre la fin du premier marquage et la fin du second
marquage. Cet accroissement de la rhizodéposition est du à la fois à une augmentation de la
biomasse racinaire pendant le second marquage, mais également à une contrainte subie par le
système racinaire causée par la toile de nylon. En effet il est reconnu qu’une contrainte
mécanique appliquée au niveau du système racinaire stimule la rhizodéposition (GroleauRenaud, 1998).
Dans la même étude que celle citée plus haut, Thornton et al. (2004) montrent qu’après avoir
changé la signature isotopique de l’atmosphère dans laquelle évoluaient les plantes, la
signature isotopique du carbone libéré par les racines tend vers celle de la nouvelle
atmosphère. Cette expérimentation réalisée en hydroponie stérile met en évidence des
différences d’allocation du carbone nouvellement assimilé tout au long de la racine. Tout
83
Contribution du carbone nouvellement assimilé à la rhizodéposition
comme Matthew et Kemball (1997), ils constatent que c’est au niveau des apex racinaires
qu’une part importante du carbone récemment assimilé est retrouvée. Cette étude permettant
de définir finement les sites d’exsudation est néanmoins menée en hydroponie stérile. Or il a
largement été montré que les micro-organismes du sol influençaient significativement la
rhizodéposition. Ainsi, les résultats de Thornton peuvent être biaisés par les conditions de
culture des plantes. En revanche, notre étude est menée en conditions in situ, ce qui permet
l’obtention de résultats réalistes. De plus la caractérisation du carbone libéré dans la
rhizosphère se fait dans la zone de sol proche des apex racinaires, puisque le tapis racinaire
peut être considéré comme étant formé de racines actives. Nos résultats sont par conséquent,
cohérents avec ceux de Thornton et al. (2004).
Bien que du C de la plante soit alloué au compartiment rhizosphère dès le début du second
marquage (13C), ce n’est qu’à partir du 6eme jour après le début de ce marquage qu’un effet
rhizosphère significatif (biomasse microbienne stimulée sous l’action de la rhizodéposition)
est observé dans les 5 premiers mm de sol. Deux hypothèses peuvent expliquer ce résultat : la
plus probable est que le tapis racinaire n’était pas suffisamment développé pour pouvoir
influencer le développement microbien, qui en retour peut stimuler la rhizodéposition. Une
autre explication est le délai nécessaire pour que la biomasse microbienne se développe et que
le développement soit suffisant pour être perceptible avec la technique de quantification de la
biomasse microbienne qui n'est pas très sensible.
La littérature montre que le fonctionnement de la plante contribue à transférer une fraction
importante du carbone assimilé directement vers les racines. En effet, d’une part le carbone
nouvellement assimilé est majoritairement transporté sous forme soluble (saccharose),
facilement allouée vers les racines et par conséquent rapidement exsudée (Mühling et al.,
1993), alors que le carbone ancien est incorporé dans les composés de structure insolubles ou
stocké sous forme de macromolécules (fructane) pour lesquels il est difficile de traverser les
membranes biologiques et par conséquent d’être rapidement transporté aux racines. D’autre
part, les assimilats récents sont préférentiellement transférés vers les sites de division
cellulaire et d’extension ayant une force de puits importante (Farrar et al., 1995). Ces sites ne
sont pas morphologiquement matures, la diffusion y est alors facilitée (Bret-Harte et Silk,
1994). De plus, les micro-organismes de la rhizosphère exercent également une force de puits
importante, attirant le carbone de la plante. Le carbone constitue une source d’énergie pour les
micro-organismes. Sa disponibilité va stimuler leur croissance et leur activité. Les micro84
Contribution du carbone nouvellement assimilé à la rhizodéposition
organismes en retour stimulent la rhizodéposition et dans ce cas, c’est le carbone le plus
rapidement disponible qui est prioritairement transféré à la rhizosphère et par conséquent
rapidement disponible pour les micro-organismes.
Cette expérimentation a permis de valider la faisabilité de marquage long avec le matériel de
marquage disponible au laboratoire. De plus, l’utilisation d’un isotope stable du carbone, le
carbone 13, plus facile à manipuler que le carbone 14, est entièrement envisageable dans des
études à venir concernant l’étude des transferts de carbone dans la plante et vers la
rhizosphère. Le seul inconvénient réside dans le fait qu’il est impossible de contrôler l’activité
spécifique de l’atmosphère de marquage pendant le marquage. Ce n’est qu’a posteriori que
l’on peut vérifier si cette activité spécifique était conforme à ce qui avait été fixé comme étant
adapté à l’expérimentation.
Notre travail ne permet pas de conclure quant à la contribution du C ancien et du C nouveau à
la rhizodéposition. Le carbone 14 retrouvé dans le compartiment rhizosphère 3 jours après le
début du marquage au carbone 13 peut-il véritablement être considéré comme du carbone
ancien ? De même, après 8 jours de marquage au carbone 13, la part de carbone 13 retrouvée
dans le compartiment rhizosphère peut provenir aussi bien du carbone 13 assimilé au début du
marquage, soit 8 jours plus tôt, que du carbone 13 assimilé dans les heures précédant le
prélèvement du compartiment rhizosphère. L’absence d’effet rhizosphère dans le
compartiment rhizosphère durant les 6 premiers jours du marquage au
13
C est-elle due au
faible développement du tapis racinaire ? Aurait-il été souhaitable de commencer les
marquages isotopiques avec un tapis racinaire plus dense? Dans ce cas de figure, une
limitation du développement des racines et donc de la plante, affectant la libération de
carbone par les racines se serait produite. De plus, dans ces conditions, une partie du C libéré
pourrait provenir de la sénescence et de la minéralisation de racines anciennes dans le tapis
racinaire. Ce flux de C non quantifiable est alors attribuable à la détritusphère et non plus à la
rhizosphère. Il est ainsi primordial d’approfondir l’ensemble de ces points en améliorant ou
modifiant notre dispositif d’étude.
Une première proposition consisterait à travailler dans des conditions de culture en
hydroponie, en conservant la technique de double marquage (14C,
13
C). Il serait alors plus
facile de prélever les exsudats racinaires directement au niveau du système racinaire à des
intervalles de temps réguliers afin de déterminer l’évolution de la proportion
rhizodépôts.
85
14
C/
13
C des
Contribution du carbone nouvellement assimilé à la rhizodéposition
Si on souhaite conserver des conditions de culture in situ, une seconde proposition consiste à
réaliser un double marquage
14
C /
13
C sur des pots de culture. Après le début du second
marquage, des prélèvements successifs permettront d’analyser l’évolution de la quantité de
14
C et de 13C retrouvée dans le sol adhérent aux racines.
Les modalités de marquage peuvent être également modifiées et simplifiées. Le marquage
long des plantes au
14
C est conservé afin de tracer le C des réserves de la plante.
Immédiatement après la fin de ce marquage long, un marquage court au 13C est alors réalisé
sur une partie des plantes issues du premier marquage. D’autres marquages courts consécutifs
sur des plantes restantes permettraient de caractériser l’évolution de la proportion C
anciennement / C nouvellement libéré par les racines.
Un suivi de la dynamique des réserves et de leur activité 14C ou abondance 13C permettra de
déterminer la contribution des réserves au pool de C libéré par les racines.
IV. Conclusion
Le C ancien contribue significativement à la rhizodéposition. Néanmoins la proportion de C
ancien par rapport au C nouveau libéré par les racines n’est pas déterminée. Il est difficile de
dire si le
13
C libéré par les racines est toujours du C nouveau 6 jours après le début du
marquage au 13C. En revanche, notre travail montre qu’un effet rhizosphère apparaît dans le
compartiment rhizosphère et que la libération de 13C par les racines augmente très fortement à
partir du 6eme jour après le début du marquage au 13C. Le 14C restant correspond à du C issu
soit du renouvellement racinaire soit de la remobilisation du C des réserves. L’absence d’effet
rhizosphère est probablement due au fait que le tapis racinaire n’était pas suffisamment
développé au début du marquage 13C pour pouvoir influencer le compartiment rhizosphère et
permettre une libération suffisante de
13
C dans ce compartiment. Cette étude doit être
approfondie afin de mieux caractériser la contribution du C ancien et du C récent à la
rhizodéposition.
86
Contribution du carbone nouvellement assimilé à la rhizodéposition
Photographies 5 et 6 : Vue d’un anneau enrichi du dispositif FACE Suisse. On peut distinguer la présence de
buse permettant la diffusion du CO2 au-dessus de la parcelle ainsi que la présence de capteurs de la concentration
en CO2, de la vitesse du vent et de la température.
Zone de mise en place des
cylindres de PVC
87
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
E. CONSEQUENCES DE L’ELEVATION DE LA CONCENTRATION EN
CO2 ATMOSPHERIQUE SUR LA REPARTITION DES PHOTOASSIMILATS RECENTS ET LA RHIZODEPOSITION CHEZ LOLIUM
PERENNE
L’enrichissement de la concentration en CO2 de l’atmosphère accroît la disponibilité en
carbone pour la plante car il en résulte le plus souvent une stimulation de l’activité
assimilatrice des feuilles sources (Rogers et al., 1998). Si le concept des relations sourcespuits est étendu à la rhizosphère, les entrées de carbone dans le sol notamment par le biais de
la rhizodéposition sont à leur tour modifiées. Beaucoup d’études ont montré les conséquences
de l’élévation du CO2 sur les transferts de carbone dans le système plante-sol-microorganismes en conditions contrôlées. Néanmoins en conditions naturelles ou semi-naturelles,
peu de données sont disponibles concernant l’étude des transferts de carbone récemment
assimilé par la plante, vers le sol en ayant intégré plante, sol et micro-organismes. De même,
d’un point de vue plus environnemental, la contribution de la rhizosphère à la dynamique de
la matière organique dans le sol après une longue période d’exposition de ce sol à une
atmosphère enrichie en CO2 est ni comprise, ni quantifiée.
Le dispositif FACE (Free Air Carbon dioxide Enrichment) de l’ETH de Zürich (Suisse) est un
écosystème prairial à gestion agronomique intensive, sous régime de fauche (Hebeisen et al.,
1997), ayant un historique d'enrichissement en CO2 de 9 années consécutives (Photographies
5 et 6). Ce site unique a servi de support à notre étude car nous souhaitions étudier les
conséquences de l’élévation des concentrations en CO2 de l’atmosphère sur la répartition des
photoassimilats récents dans la plante, la rhizodéposition et le devenir de ces photo-assimilats
dans le sol avec un réalisme agronomique et écologique.
Ce type de dispositif a été développé au début des années 90 pour mieux comprendre, en
conditions de plein champ, les réponses des plantes et des couverts végétaux à l'augmentation
atmosphérique en CO2 (photosynthèse, production et répartition de biomasse…). A partir des
premiers résultats, on s'est rendu compte que les déterminismes des réponses des plantes se
situaient au niveau des interactions entre la plante, le sol, les micro-organismes et la faune du
sol. Il est apparu notamment qu’une partie du surplus de C assimilé en réponse à
l'augmentation de CO2 n’était pas retrouvé dans la biomasse végétale. Il a été notamment fait
l'hypothèse qu'une fraction du carbone assimilé était transporté vers le sol et qu'il était
88
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
nécessaire de déterminer quel flux de C était à l'origine de ce défaut de bilan. Dans le même
temps, les travaux ne montraient aucun accroissement des concentrations en carbone dans le
sol lorsque l'atmosphère est enrichie en CO2. Ainsi des attentes sont apparues visant à
quantifier les transferts de composés organiques de la plante au sol, et à déterminer les
conséquences du fonctionnement rhizosphérique sur le devenir de ces composés dans le sol.
Jusqu'à présent, les effets de l’élévation du CO2 sur la rhizodéposition en conditions de plein
champ ne sont que suppositions; aucune étude n’a formellement caractérisé les conséquences
d'un enrichissement en CO2 sur la rhizodéposition.
Dans ce contexte, nos objectifs sont d’évaluer :
i.
les conséquences de l’élévation des concentrations en CO2 atmosphérique sur la
rhizodéposition chez de jeunes plantes de ray grass. Les plantes ayant poussé sur le
dispositif FACE ont été ramenées au laboratoire en vue de suivre les transferts de C et de
N des parties aériennes vers les racines et la rhizosphère par traçage isotopique au 14C et
15
N;
ii.
l’influence, sous CO2 élevé, de la fertilisation azotée sur la rhizodéposition;
iii.
la vitesse de minéralisation du carbone récent et du carbone total présent dans la
rhizosphère ;
iv.
la concentration en carbone total du sol après 9 années d’enrichissement en CO2.
Ce chapitre a fait l’objet d’une publication dans Soil Biology and Biochemistry.
Bazot S., Ulff L., Blum H., Nguyen C., Robin C. (2005). Effects of elevated CO2
concentration on rhizodeposition of Lolium perenne grown on soil exposed to 9 years of CO2
enrichment. Soil Biology and Biochemistry, sous presse.
89
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
I. Matériels et méthodes
1.1. Dispositif expérimental
Le dispositif FACE Suisse était situé à la station expérimentale de l’ETH de Zurich à
Eschikon (Photographies 5 et 6). Le premier enrichissement en CO2 de l’atmosphère date du
31 Mai 1993 et il a été mis fin aux enrichissements à l'automne 2003.
Lors de notre expérimentation en 2002, le dispositif présentait un historique de 9 années
d’enrichissement en CO2. Le sol, désigné comme un sol argilo-limoneux, est composé à 28%
d’argile, 33% de limon et 36% de sable. Les valeurs de pH du sol sont comprises entre 6,5 et
7,6 (Hebeisen et al., 1997). Ce dispositif est composé de trois blocs, formés chacun de deux
anneaux : un anneau soumis à l’atmosphère ambiante en CO2 (à environ 36Pa pCO2) et un
anneau enrichi (à environ 60Pa pCO2). La source de dioxyde de carbone utilisée pour
l’enrichissement
de
l’air
est
d’origine
pétrochimique.
L’enrichissement
a
lieu
quotidiennement pendant la photopériode, de mars à octobre. L’émission de CO2 est régulée
en fonction de la vitesse et de l'orientation du vent.
Chaque anneau comporte, entre autres, des monocultures de ray grass (parcelles de 2,8 X 1,9
m) Lolium perenne cv Bastion. Chacune de ces parcelles est divisée en 2 parties, l'une
soumise à un apport annuel d’azote de 14 g. m-2 a-1, l'autre à un apport élevé (56 g m-2 a-1),
sous forme de NH4NO3. La quantité d’engrais est apportée annuellement dans les proportions
suivantes : 30%, 20%, 20%, 15%, 15% depuis la première fauche (début juin) jusqu’à la
cinquième et dernière fauche (début octobre).
1.2. Mise en place de l’essai
Notre intention au départ était d'utiliser des plantes en place dans le couvert végétal des
anneaux FACE, ayant été soumis à l'augmentation du CO2 atmosphérique pendant 9 années.
Une discussion avec les gestionnaires du dispositif et une visite préalable de terrain nous ont
orientés vers un repiquage de plantules de ray grass Lolium perenne cv Bastion sur le
dispositif FACE. Les raisons sont les suivantes :
–
une difficulté d'individualiser des plantes dans le couvert végétal en place
–
une hétérogénéité de la densité du couvert et de la taille des plantes.
90
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
Des graines sont mises à germer au préalable en serre, permettant d’obtenir des plantes au
même stade de croissance lors du repiquage. Ces jeunes plantes présenteront une croissance
active, produisant de nombreuses talles. Ainsi, les flux de carbone dans ces plantes seront
conséquents, du fait d’un métabolisme important. Les plantules sont transplantées sur le
dispositif, racines nues, 35 jours après le semis. Le repiquage a lieu dans des monolithes de
sol non perturbé, individualisés en enfonçant dans le sol des cylindres en PVC (diamètre :
8cm ; hauteur : 20cm). Les plantules sont repiquées le 19 avril pour l’échantillonnage du
printemps et le 10 juillet pour l’échantillonnage d’automne dans les anneaux ambiants et les
anneaux enrichis en CO2. Le sol des anneaux FACE est hétérogène (structure, présence de
cailloux…), souvent peu profond; l’horizon minéral (H2) est présent parfois dès 20 cm de
profondeur. Par conséquent, la majorité des racines de ray grass évoluent dans les 20 premiers
cm de sol. En raison de la présence de zones sans plantes en sortie d'hiver, il a été possible
d'enfoncer les cylindres de PVC entre les plantes en place. Ainsi, le sol soumis à
l'enrichissement pendant 9 ans n'a pas été perturbé par la mise en place de l'essai. Les jeunes
plantes sont soumises pendant leur développement à la compétition pour la lumière comme
les autres plantes déjà présentes sur la parcelle.
Les effets de l’enrichissement en CO2 sont analysés en début et en fin de la saison de
croissance. Les deux dates de prélèvements correspondent à des conditions climatiques
contrastées et à un fonctionnement des plantes influencé par les défoliations et les
fertilisations au cours de la saison de croissance. Quarante huit plantes sont récoltées au
printemps (14 Juin, après 56 jours d’exposition au CO2) et 48 plantes sont récoltées à
l’automne (27 Septembre, après 79 jours d’exposition au CO2). Les plantes récoltées au
printemps ont été soumises à une seule défoliation suivie d’un apport d’azote (30% d'apport
annuel), alors que les plantes prélevées à l’automne ont été soumises à 3 défoliations et à 4
apports d’azote (85% de l’apport annuel).
Immédiatement après chacun des 2 prélèvements, les plantes et leur monolithe de sol sont
ramenés au laboratoire à Nancy où des marquages isotopiques au carbone 14 et à l’azote 15
sont réalisés. Les plantes des anneaux enrichis sont marquées séparément des plantes des
anneaux ambiants afin d'établir la pression partielle en CO2 correspondante (36 ou 60 Pa).
Nous avons opté pour un marquage au laboratoire plutôt que sur le terrain car la régulation
des paramètres climatiques et de marquage est une nécessité si l’on souhaite étudier
l’allocation de carbone récent aux compartiments rhizosphériques. Cette dernière est en effet
fortement influencée par l’état physiologique de la plante. Une perturbation du métabolisme
91
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
causée par une variable climatique influence les flux de carbone dans la plante et à la
rhizosphère. Cette régulation n'était pas envisageable sur le terrain, compte tenu du nombre de
plantes impliquées. Après le transport (environ 6 heures), et dans l’attente du marquage au
14
C, les plantes sont immédiatement placées dans des serres où la concentration en CO2
correspond à celle observée sur le terrain. Les plantes issues des anneaux ambiants sont
placées dans des serres ambiantes et les plantes issues des anneaux enrichis sont placées dans
des serres où l’atmosphère est enrichie en CO2.
1.3. Marquage des parties aériennes au 14CO2 et au 15NH3 et récolte
Les cylindres de PVC comportant les monolithes de sol avec un plant de ray grass, sont au
préalable disposés dans un container en vue du marquage (diamètre :10 cm, hauteur : 35 cm ;
Figure 19) .
Figure 19 : Container de marquage renfermant un cylindre de PVC planté d’un ray grass destiné à être marqué
au 14CO2. Le couvercle présente une ouverture permettant le passage de la plante. Cette ouverture, une fois la
plante mise en place est bouchée avec du silicone liquide. Le couvercle présente également 2 trous permettant le
branchement de 2 tuyaux reliés aux pièges à soude utilisés pour piéger le CO2 issu de la respiration
rhizosphérique.
92
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
La veille du marquage, les plantes sont transférées dans la chambre de marquage afin
d'acclimater les plantes aux conditions climatiques de la chambre : densité du flux de photons
à 400 µmoles.m2 s-1 à la base des plantes, photopériode de 16h, température à 22°C jour et
nuit.
La concentration en CO2 est régulée à 36Pa pCO2 ± 0.7Pa pCO2 pour les plantes témoins et à
60Pa pCO2 ± 1.3Pa pCO2 pour les plantes issues des anneaux enrichis pendant toute la
procédure de marquage. L’activité spécifique de l’atmosphère est fixée à 40 KBq mg C-1 pour
les marquages effectués au mois de juin et à 55 KBq mg C-1 pour les marquages effectués au
mois de septembre. Les plantes sont exposées pendant 1heure au 14CO2 lors des marquages du
mois de juin et 1h30 lors des marquages du mois d’octobre.
1.4. Mesure de la minéralisation du carbone total et du carbone 14 dans le sol
adhérent
Pour l’échantillonnage effectué à l’automne, la minéralisation des composés organiques
marqués au carbone 14 libérés par les racines, ainsi que la minéralisation de la matière
organique du sol (C total) sont mesurées. Dans cette optique, 20 grammes de sol adhérent
(SA) sont mis à incuber pendant 30 jours à 22°C dans le noir dans des bocaux en verre fermés
hermétiquement. Le CO2 total et le
14
CO2 minéralisés par la biomasse microbienne sont
piégés dans 20ml de NaOH 1M disposés dans un pilulier placé dans le bocal d’incubation.
Ces pièges à soude sont remplacés régulièrement afin d’établir une cinétique de
minéralisation. Le carbone 14 contenu dans le NaOH est analysé en scintillation liquide (TriCarb 2100 Tr, Packard), en mélangeant 1ml de NaOH à 10ml de liquide scintillant Ultima Gold
(Packard, USA). Le carbone total contenu dans chaque piège à soude est analysé grâce à
l’analyseur COTmètre (Shimadzu TOC-VCSH). Un blanc NaOH est réalisé pour tenir compte
du C piégé par la soude pendant la préparation du suivi de minéralisation.
1.5. Expression des résultats du marquage à l’azote 15
La répartition du
15
N dans les différents compartiments composant le système plante-sol-
micro-organismes (feuilles, tiges, racines, sol adhérent SA) est comparé pour les deux
niveaux de fertilisation ainsi que les deux niveaux de CO2. Le sol non adhérent n’a pas été
93
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
considéré car l’enrichissement était très faible voire nul. Cette répartition est exprimée en
pourcentage de 15N dérivé de l’ammonium (%NDFA ; Janzen et Bruinsma, 1989).
%NDFA =
Excès isotopique dans un compartiment donné
Enrichissement isotopique de l’atmosphère
X 100
1.6. Analyses statistiques
Les données sont analysées à l’aide du logiciel JMP IN©, SAS institute. Le dispositif
expérimental est un split-splot. Des analyses de variances à deux facteurs (CO2 et azote) sont
effectuées. Le CO2 est considéré comme facteur principal, l’azote comme facteur secondaire.
Chaque bloc correspond à une répétition, soit 3 répétitions. Le test de Tukey Kramer a permis
de comparer les moyennes entre elles dans le cas d’une interaction entre les effets CO2 et les
effets azote. Sur les figures, les barres verticales correspondent à 2 intervalles de confiances
de la moyenne.
94
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
II. Résultats
2.1. Production de biomasse végétale
La production de biomasse totale n’est pas modifiée par l'enrichissement CO2 lors du
prélèvement effectué au printemps (P>0,1; Figure 20b, Tableau 10). Néanmoins, lors de
l’échantillonnage d’automne, une interaction significative est observée entre les effets CO2 et
N (P=0,019 ; Tableau 10). Dans le cas de l’apport élevé d’azote, l’élévation du CO2 augmente
la production de biomasse des parties aériennes des plantes (P<0,001; test Tukey Kramer)
(Figure 20e, Tableau 10). Aux deux dates de prélèvement, l’apport élevé d’azote augmente la
production de biomasse (P<0,001; Figures 20b et f, Tableaux 10). Le rapport de biomasse
Racines sur Parties aériennes (PR/PA) n’est pas significativement affecté par le CO2, quelle
que soit la date d’échantillonnage (Figures 20d et h). Il est cependant significativement réduit
par le fort niveau de fertilisation azotée au printemps (P<0,001 ; Figure 20d, Tableau 10).
3
2
6
b. Totale
5
5
4
4
3
2
6
e. Parties
aériennes
a
b
3
b
2
b
4
3
2
1
1
1
0
0
0
0
6
6
6
6
3
2
1
d. PR / PA
3
2
1
0
14
Apport d'azote (g.m -2)
4
3
2
1
0
56
g. Racines
5
4
14
h. PR / PA
4
3
2
0
56
Apport d'azote (g.m -2)
5
1
0
56
1
g.plante -1
g.plante -1
4
5
g.plante -1
c. Racines
5
f. Totale
5
g.plante -1
4
g.plante -1
g.plante -1
5
g.plante -1
6
a. Parties
aériennes
g.plante -1
6
14
Apport d'azote (g.m -2)
56
14
Apport d'azote (g.m -2)
Atmosphère
Atmosphère
enrichie en CO2
ambiante
Figure 20 : Biomasse sèche des parties aériennes (a, e), des racines (c, g), biomasse sèche totale (b, f) de la
plante en g. plante-1 et ratio de matière sèche Parties racinaires PR / Parties aériennes PA (d, h) des plants de
Lolium perenne récoltés en Juin (printemps : a, b, c, d) et en Septembre (automne, e, f, g, h) dans les anneaux
enrichis en CO2 et ambiants, pour les deux niveaux de fertilisation azotées (56 et 14 g N. m-2). Les différentes
lettres représentent les résultats du test de Tukey Kramer, effectué lorsqu’une interaction significative est révélée
par l’analyse de variance ; n=3.
95
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
2.2. Allocation de carbone 14 et de l’azote 15 au compartiment souterrain
Allocation de carbone 14 :
Printemps
En moyenne, 46% et 50% du
14
C assimilé sont alloués au compartiment souterrain
respectivement sous CO2 enrichi (CO2+) et CO2 ambiant (P>0.1, moyenne des traitements
azotés). Trente trois% et 36% sont libérés par les racines (14C retrouvé dans la respiration
rhizosphérique RR, le sol et la biomasse microbienne) respectivement sous CO2+ et CO2
ambiant (P>0,1, moyenne des traitements azotés ; Figure 21Ac, d,e ; Tableau 10).
L’allocation de
14
C au compartiment souterrain est plus faible lors d’un fort apport d’azote
que lors d’un faible apport (39% contre 57% lors d’un faible apport d’azote) : les racines
libèrent proportionnellement moins de
14
C lors d’un fort apport d’azote que lors d’un faible
apport (27% contre 42% RTR dans la respiration rhizosphérique, le sol et la biomasse
microbienne sous faible niveau d’azote; P<0,001; Figure 21Ac, d,e ; Tableau 10).
Automne
Une interaction est observée entre les effets azote et les effets CO2 (P=0,057; P=0,059;
Tableau 10) pour l’allocation de
14
C aux parties aériennes et au compartiment souterrain
respectivement. Avec un apport élevé d’azote, une plus faible proportion de 14C est allouée au
compartiment souterrain (P<0,001; test Tukey Kramer). Les plantes enrichies en CO2 allouent
moins de
14
C au sol (biomasse microbienne, sol adhérent SA et sol non adhérent SNA;
P<0,05; Figure 21B c, d, e ; Tableau 10). L’azote n’a pas de conséquences majeures sur la
répartition du 14C dans le système plante-sol (Figure 21B ; Tableau 10).
96
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
a. Parties
aériennes
100
80
100
b. Racines
100
80
80
60
60
60
%
e. Sol
%
%
40
40
40
20
20
20
0
0
0
56
100
100
c. Compartiment
souterrain
80
-2
Apport d’azote (g. m )
d. RR
80
60
14
60
%
%
40
40
20
20
0
0
100
100
56
f. Parties
aériennes
a
80
100
j. Sol
g. Racines
80
80
b
60
%
14
60
60
%
%
ab
b
40
40
20
20
20
0
0
0
100
100
40
56
h. Compartiment
souterrain
80
60
40
b
b
%
a
-2
i. RR
80
60
Atmosphère
enrichie en CO2
%
40
ab
20
20
0
0
56
14
-2
Apport d’azote (g.m )
Figure 21: Répartition du
14
Apport d’azote (g. m )
56
Atmosphère
ambiante
14
-2
Apport d’azote (g. m )
14
C assimilé exprimé en pourcentage de
14
C total retrouvé %RTR dans les parties
aériennes (a, f), le compartiment souterrain (c, h) (racines b, g ; respiration rhizosphérique RR d, i ; et le sol
incluant sol adhérent, sol non adhérent et biomasse microbienne e, j), lors des échantillonnages du printemps (a,
b, c, d, e) et de l’automne (f, g, h, i, j) au sein des monocultures de ray grass, pour deux niveaux de fertilisation
azoté (56 et 14 gN.m-2). Les barres verticales représentent les intervalles de confiance (n=3). Les différentes
lettres représentent les résultats du test de Tukey Kramer, effectué lorsqu’une interaction significative est révélée
par l’analyse de variance.
97
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
Allocation d’azote 15 :
Printemps
Le pourcentage d’azote dérivé de l’ammonium (%NDFA) retrouvé dans les parties aériennes
est significativement plus faible sous atmosphère enrichie en CO2 que sous atmosphère
ambiante (P<0,001 pour les feuilles et les tiges Figure 22a, b ; Tableau 10). En revanche, dans
les racines et dans le sol adhérent, aucune différence n’est observée entre les différents
traitements CO2 (Figure 22c,d ; Tableau 10).
La fertilisation azotée diminue la proportion de
15
N dérivée de l’ammonium retrouvée dans
les parties aériennes (P=0,005). Aucun effet n’est observée au niveau des racines et du sol
adhérent (Figure 22, Tableau 10).
Automne
Le pourcentage d’azote dérivé de l’ammonium (%NDFA) retrouvé dans les parties aériennes
est significativement plus faible sous atmosphère enrichie en CO2 que sous atmosphère
ambiante (P<0,001 pour les feuilles et les tiges, Figure 23 a, b ; Tableau 10). En revanche,
dans le sol adhérent, la proportion de
15
N dérivée de l’ammonium est significativement plus
élevée sous atmosphère enrichie en CO2 (P<0,001 ; Figure 23d ; Tableau 10).
La fertilisation azotée diminue la proportion de
15
N dérivée de l’ammonium retrouvée dans
les parties aériennes (P<0,001) mais augmente la proportion de
retrouvée dans sol adhérent ((Figure 23 ; Tableau 10).
98
15
N dérivée de l’ammonium
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
a. Feuilles
2,5
2,5
2
2
1,5
1
0,5
Atmosphère
enrichie en CO2
1,5
Atmosphère
ambiante
1
0,5
0
0
56
1,6
1,4
1,2
1
14
56
c. Racines
Apport
d'azote (g.m-2)
14
Sol adhérent
N (g.d.
m-2)
0,3
0,25
%NDFA
%NDFA
b. Tiges
3
%NDFA
%NDFA
3
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0,2
0,15
0,1
0,05
0
56
14
56
N supply
m-2) (g. m-2)
Apport (g.
d’azote
14
-2
N supply
(g. m(g.
) m-2)
Apport
d’azote
Figure 22 : Pourcentage de 15N dérivé de l’atmosphère dans les feuilles (a), les tiges (b), les racines (c) et le sol
adhérent (d) pour les échantillonnages du printemps au sein des monocultures de ray grass sous atmosphère
ambiante ou enrichie en CO2 , sous deux niveaux de fertilisation.. Les barres verticales présentent les intervalles
de confiances (n=3).
3
a. Feuilles
2,5
2,5
2
2
%NDFA
%NDFA
3
1,5
1
0,5
1,5
Atmosphère
ambiante
1
0
56
c. Racines
14
56
0,3
1,4
0,25
1,2
1
0,2
%NDFA
%NDFA
Atmosphère
enrichie en CO2
0,5
0
1,6
b. Tiges
0,8
0,6
0,4
0,2
14
d. Sol adhérent
Apport d'azote (g. m-2)
0,15
0,1
0,05
0
0
56
14
56
14
NApport
supplyd’azote
(g. m-2)(g. m-2)
-2
Apport
d’azote
) )
N supply
(g. (g.
m-2m
Figure 23 : Pourcentage de 15N dérivé de l’atmosphère dans les feuilles (a), les tiges (b), les racines (c) et le sol
adhérent (d) pour les échantillonnages de l’automne au sein des monocultures de ray grass sous atmosphère
ambiante ou enrichie en CO2 , sous deux niveaux de fertilisation.. Les barres verticales présentent les intervalles
de confiances (n=3).
99
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
2.3. Concentrations en glucides totaux dans les organes végétaux
Lors de l’échantillonnage du printemps, les feuilles et les racines des plantes issues des
anneaux enrichis en CO2 présentent une concentration en glucides totaux plus importante que
celles des plantes issues des anneaux ambiants (P=0,019 et P=0,011 respectivement dans les
feuilles et dans les racines ; Figure 24 a, b, Tableau 10).
Lors de l’échantillonnage d’automne, il n’y a pas de différence significative entre les
concentrations en glucide totaux dans les feuilles des plantes issues des deux niveaux de CO2
(P=0,361). En revanche, la concentration en glucides totaux dans les racines des plantes issues
des anneaux enrichis en CO2 est significativement plus élevée que celle des racines des
plantes issues des anneaux ambiants (P=0,020 ; Figure 24 c, d ; Tableau 10).
Le fort apport d’azote augmente la concentration en glucide dans les feuilles seulement lors
de l’échantillonnage du printemps (P=0,007 ; Figure 24 a). Dans tous les autres cas, l’apport
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
56
mol. kg -1 en equivalent hexose
mol .kg -1 en équivalent hexose
2,0
a. Feuilles
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
56
1,5
Atmosphère
ambiante
1,0
0,5
0,0
56
c. Feuilles
Apport
d'azote (g. m -2)
Atmosphère
enrichie en CO2
b. Racines
14
2,0
mol .kg -1 en équivalent hexose
mol .kg -1 en equivalent hexose
d’azote n’influence pas la concentration en glucides totaux dans la plante.
14
d. Racines
Apport
d'azote (g. m -2)
1,5
1,0
0,5
0,0
14
56
-2
14
Apport d'azote (g .m -2)
Apport d'azote (g. m )
Figure 24: Concentrations en glucides totaux exprimées en mol de glucide par kg d’échantillon en équivalent
hexose, dans les feuilles (a, c) et dans les racines (b, d) après les échantillonnages du printemps (a, b) et de
l’automne (c, d) au sein des monocultures de ray grass, pour deux niveaux de fertilisation azotée. Les barres
verticales représentent les intervalles de confiance (n=3).
100
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
2.4. Quantités de carbone dans la biomasse microbienne
La biomasse microbienne (mg C. kg-1 de sol) du SA n’est pas significativement affectée par
l’élévation du CO2 lors du prélèvement effectué au printemps, alors qu’elle est diminuée à
l’automne (P<0,001; Figure 25, Tableau 10). La biomasse microbienne du SNA reste
inchangée quelle que soit la date d’échantillonnage. Une biomasse microbienne plus
importante dans le SA que dans le SNA est observée sous niveau ambiant de CO2.
b. Sol adhérent
800
600
600
mgC. kg-1
mgC . kg-1
a. Sol adhérent
800
400
200
0
56
14
56
14
56
14
b. Sol non adhérent
b. Sol non adhérent
800
600
600
mgC. kg-1
mgC. kg-1
Atmosphère
ambiante
400
200
0
800
Atmosphère
enrichie en CO2
400
200
400
200
0
0
56
14
Apport d'azote (g. m -2)
Apport d'azote (g. m -2)
Figure 25: C microbien (mg C kg-1 de sol) du sol adhérent (SA) et non adhérent (SNA) lors des échantillonnages
du printemps (a, c) et de l’automne (b, d) au sein des monocultures de ray grass sous atmosphère ambiante ou
enrichie en CO2 , sous deux niveaux de fertilisation. Les barres verticales représentent les intervalles de
confiance (n=3).
2.5. Cinétique de minéralisation du carbone total et des composés organiques
14
C (C
rhizodéposé et turnover de la biomasse microbienne marquée) dans le sol adhérent
Lors de l’expérience menée à l’automne, nous avons mesuré le devenir du carbone dans le sol
en effectuant une cinétique du CO2 total et du
14
CO2 respirés au niveau du sol adhérent. La
période d’incubation du sol adhérent après la récolte est de 30 jours.
101
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
La fertilisation azotée n’a pas d’influence sur la minéralisation de la matière organique
(évolution du carbone total) et des composés organiques marqués (14C).
Immédiatement après l’échantillonnage (48h après le marquage et avant la période
d’incubation), la quantité de
14
C présente dans le sol adhérent est significativement plus
élevée sous CO2 ambiant que sous CO2+ (80 Bq g-1 de SA sous CO2 ambiant contre 64 Bq g-1
de SA sous CO2+, moyenne des deux niveaux d’azote ; P=0,024). Les cinétiques de
minéralisation du carbone total et du 14C indiquent qu’à la fin de l’incubation (30 jours), les
quantités de C total et de
14
C minéralisées (exprimée en mg C g-1 de sol adhérent pour le C
total et en Bq g-1 de sol adhérent pour le 14C) sont significativement plus élevées sous CO2+
que sous CO2 ambiant (P<0,001 pour le carbone total et pour le carbone 14 ; Figure 26a et
27). De même, les flux de minéralisation du C total et du 14C (quantité totale de C et de 14C
respirée par unité de temps en mg g-1 SA jour-1 et Bq g-1 SA jour-1) sont significativement plus
élevés sous CO2 élevé (0,049 mg C g-1 SA jour-1 et 0,81 Bq g-1 SA jour-1, moyenne des
traitements azotés) que sous CO2 ambiant (0,034 mg C g-1 SA jour-1 et 0,63 Bq g-1 SA jour-1,
moyenne des traitements azotés) (P<0,001 et P=0,012 respectivement pour le carbone total et
le 14C).
Trente % du 14C initialement présent dans le sol adhérent sont minéralisés sous CO2 ambiant
alors que 44% du
14
C initialement présent dans le sol adhérent sont minéralisés sous CO2
élevé, à l’issue des 30 jours d’incubation (moyenne des deux niveaux de fertilisation)
P=0,002 ; Figure 26b).
102
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
60
C minéralisé en % initialement présent
a
25
20
15
10
5
b.
50
40
30
20
10
14
14
C O 2 re s p iré (B q . g -1 d e S A )
30
0
0
0
5
10
15
20
25
30
0
35
5
10
15
20
25
30
35
Temps (jour)
Temps (jour)
Figure 26 a et b: Production de 14CO2 pendant l’incubation de sol adhérent (SA) exprimée en Bq respiré par g de
sol adhérent (SA) (26a) et en % de
14
C présent au début de l’incubation dans le sol (26b) lors de
l’échantillonnage de l’automne au sein des monocultures de ray grass sous atmosphère enrichie ou ambiante en
CO2, sous deux niveaux de traitement azoté. Les points sont reliés par une courbe de tendance logarithmique afin
CO2 respiré (mgC. g-1 de SA)
de faciliter la lecture. Les barres verticales représentent les intervalles de confiance (n=3).
1,8
Plantes enrichies et fertilisées à 56 gN. m-2
1,6
Plantes enrichies et fertilisées à 14g N. m-2
1,4
Plantes ambiantes et fertilisées à 14g N. m-2
1,2
Plantes ambiantes et fertilisées à 56 gN. m-2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Temps (jour)
Figure 27: Production de CO2 pendant l’incubation de sol adhérent (SA) exprimée en mg de C respiré par g de
sol adhérent (SA) lors de l’échantillonnage de l’automne au sein des monocultures de ray grass sous atmosphère
enrichie ou ambiante en CO2 sous deux niveaux de traitement azoté. Les points sont reliés par une courbe de
tendance logarithmique afin de faciliter la lecture. Les barres verticales représentent les intervalles de confiance
(n=3).
103
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
2.5. Quantités de carbone total dans le sol et ratio C/N
La quantité moyenne de carbone dans le sol sur une profondeur de 0 à 20 cm est comprise
entre 6178 et 7108 g m-2 (sol adhérent et sol non adhérent confondu) lors du prélèvement
effectué au printemps. A l’automne, ces valeurs sont comprises entre 5718 et 6578 g m-2.
Ainsi, aucune différence significative n’est observée entre chaque traitement.
Printemps
CO2
Variables
Automne
N X CO2
N
F
CO2
F
P
F
P
P
F
Parties aériennes
0,011
0,923
20,31
<0,001
0,821
0,371
3,331
Racines
Totale
PR/PA
Répartition du 14 C %RTR
Parties aériennes
0,015
0,001
3,421
0,909
0,992
0,138
4,836
4,183
16,13
0,033
0,047
<0,001
0,001
0,394
1,373
0,983
0,533
0,248
1,625
3,246
2,162
0,307
0,609
20,86
<0,001
0,068
0,795
6,534
Compartiment souterrain
0,275
0,627
20,74
<0,001
0,073
0,788
6,851
Racines
1,991
0,231
3,057
0,088
0,093
0,761
RR
0,091
0,777
7,151
0,011
0,035
Sol
0,247
0,645
6,622
0,014
0,117
N X CO2
N
P
F
P
F
P
0,142
23,24
<0,001
5,942
0,019
0,271
0,148
0,215
3,691
15,76
1,062
0,042
<0,001
0,309
0,003
2,372
1,435
0,953
0,131
0,238
0,062
2,885
0,097
3,821
0,057
0,058
2,806
0,101
3,775
0,059
0,784
0,425
0,141
0,709
0,755
0,391
0,851
4,492
0,101
5,403
0,025
2,341
0,134
0,733
7,980
0,047
1,475
0,231
1,280
0,231
Production de biomasse
Répartition du
15
N %NDFA
Feuilles
79,52
<0,001
8,575
<0,001
0,736
0,396
39,70
<0,001
16,22
<0,001
2,984
0,093
Tiges
23,86
<0,001
6,765
<0,001
0,564
0,476
4,209
0,015
4,293
0,005
0,067
0,796
Racines
0,221
0,640
1,675
0,203
0,173
0,679
0,544
0,465
1,167
0,287
0,079
0,779
Sol adhérent
0,342
0,522
2,062
0,159
0,574
0,452
32,13
<0,001
7,067
0,011
2,547
0,094
Concentration en sucre totaux
Feuilles
14,19
0,019
7,822
0,007
0,144
0,705
1,055
0,361
0,891
0,351
0,604
0,441
Racines
19,73
0,011
19,73
0,011
0,117
0,733
5,872
0,02
0,041
0,84
0,537
0,468
Carbone microbien
Sol adhérent
0,908
0,394
0,851
0,361
0,005
0,983
42,91
<0,001
3,123
0,085
0,721
0,400
Sol non adhérent
2,943
0,156
0,032
0,858
0,443
0,510
0,926
0,389
0,483
0,491
0,894
0,350
Tableau 10 : Résultats des analyses statistiques des différents paramètres : production de biomasse, répartition du
14
C, du
15
N. et carbone microbien du sol adhérant et du sol non adhérent. Les effets CO2, azote (N) et les
interactions CO2 X N sont testés et considérés comme significative au seuil de 5%.
104
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
III. Discussion
3.1. Production de biomasse et répartition des photo-assimilats dans le système
plante-sol
Dans les premiers mois suivant la mise en place du dispositif FACE Suisse en 1993, il a été
montré que la production de biomasse des plantes n’était pas significativement stimulée par
l’enrichissement de l’atmosphère en CO2 (Hebeisen et al., 1997). Nos résultats de production
de biomasse lors de l'échantillonnage de printemps (après une courte période d’exposition des
plantes à une concentration élevée en CO2), corroborent ces précédentes observations,
puisque l’élévation du CO2 n’influence pas significativement la production de biomasse totale
des plantes au printemps.
En revanche, les effets de la fertilisation azotée sont plus prononcés que ceux du CO2
atmosphérique. Un apport élevé d’azote stimule la production de biomasse totale ainsi que
celle des parties aériennes mais diminue le ratio de biomasse PR/PA. On constate
logiquement qu'un apport élevé d’azote stimule l’allocation de carbone récent aux parties
aériennes des plantes et réduit l’allocation de carbone récent au compartiment souterrain,
alors que l’élévation du CO2 n’a aucune influence sur la répartition du carbone dans le
système plante-sol. Ces effets sont typiquement rencontrés chez des plantes dont la croissance
a été stimulée par un apport conséquent d’azote (Johansson, 1992; Marschner et al., 1996 ;
Henry et al., 2005); les plantes bien pourvues en N privilégient l'allocation des assimilats aux
parties aériennes ce qui a pour conséquence de diminuer le ratio PR/PA.
Les résultats sont nettement différents pour l’échantillonnage effectué à l’automne, pour
lequel les plantes ont été défoliées et fertilisées 3 fois, alors qu’au printemps les plantes n’ont
été défoliées et fertilisées qu’une seule fois. Ainsi, à l’automne, une interaction entre les effets
CO2 et les effets azote est observée pour la production de biomasse des parties aériennes. Une
stimulation de la biomasse des parties aériennes apparaît lors d’un apport important d’azote.
Par conséquent, la disponibilité en azote dans le système apparaît comme le moteur de la
réponse de la croissance des parties aériennes au CO2, confirmant ce qui a été démontré
précédemment sur le même dispositif (Hebeisen et al., 1997; Daepp et al., 2000). Les études
précédentes expliquent que cette réponse peut être une conséquence de la défoliation. En
effet, après une défoliation, la biomasse résiduelle des parties aériennes n’est pas la même sur
une parcelle où l’apport d’azote est élevé par rapport à une parcelle où l’apport d’azote est
105
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
plus faible. La densité de méristèmes actifs subsistant après la défoliation est plus élevée lors
d’une fertilisation azotée forte que lors d’une fertilisation azotée faible, due à une densité de
talles plus élevée (Schneider, 2003). Ainsi, la croissance des parties aériennes des plantes
défoliées est favorisée suite à un apport important d’azote.
La biomasse racinaire ainsi que le ratio de biomasse PR/PA ne sont pas stimulés par
l’élévation du CO2. Ces données vont à l’encontre des résultats précédents montrant une
stimulation de la biomasse racinaire, engendrant un ratio PR/PA plus élevé sous CO2 élevé
(Casella et Soussana, 1997; Loiseau et Soussana, 1999 Daepp et al., 2001; Soussana et al.,
1996 ; Suter et al., 2002). Une des raisons à ce résultat pourrait être une limitation de la
croissance racinaire par les cylindres en PVC. Cependant, cela ne semble pas être le cas
puisque le volume de sol du cylindre n’a pas été complètement exploré par les racines lors de
la récolte des plantes. La densité moyenne de racines dans chaque cylindre est comprise entre
1,6 et 5 mg de racine par cm-3 de sol. La courte période de croissance des plantes est
probablement le facteur explicatif de ce résultat.
Lors de l’échantillonnage de l’automne, sous CO2 élevé et après un fort apport d’azote, en
accord avec la stimulation de biomasse des parties aériennes, le carbone récemment assimilé
est préférentiellement alloué aux parties aériennes des plantes et par conséquent, l’allocation
de carbone récent au compartiment souterrain est proportionnellement réduite. Il en résulte
une diminution de la croissance microbienne, certainement limitée par la disponibilité en
carbone dans le sol, plus que par la disponibilité en azote dans le sol (aucun effet de la
fertilisation n’est observée sur le carbone de la biomasse microbienne du sol adhérent). Si on
admet que la biomasse microbienne est corrélée avec les flux de carbone libérés par les
racines (Darrah, 1991), plus particulièrement la rhizodéposition, les flux de rhizodéposition
sont réduits par une élévation de la concentration en CO2 de l’atmosphère, lors de
l’échantillonnage d’automne. La taille du système racinaire étant inchangée par le CO2, il est
probable que l’exsudation spécifique soit diminuée (par g de racine, par longueur de racine
ou encore par site d’exsudation).
Les flux spécifiques nets d’entrée de carbone dans le système plante-sol sont réduits sous CO2
élevé (P=0,036 ; Tableau 11 ; exprimé en KBq retrouvé par g-1 de parties aériennes) indiquant
que l’assimilation nette de CO2 était certainement plus faible sous CO2 élevé que sous CO2
ambiant au moment de notre expérimentation. Ainsi, une acclimatation de la photosynthèse
sous CO2 élevé peut être supposée (Ainsworth et al., 2003 a; b). La concentration en glucides
totaux dans la plante augmentant, celle-ci a pu engendrer une acclimatation de la
106
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
photosynthèse comme cela a déjà pu être observé chez Lolium perenne (Fischer et al., 1997).
En effet, l’expression des gènes contrôlant la photosynthèse est directement dépendante du
métabolisme des glucides dans la plante (Sheen, 1994). L’augmentation de la concentration
en glucide, due à la repousse suite à une défoliation est exacerbée par le CO2 élevé (Fischer et
al., 1997). Notre échantillonnage d’automne intervient suite à 3 défoliations des plantes, la
dernière défoliation ayant eu lieu 25 jours plus tôt. Nos analyses de la concentration en
glucides totaux des tissus foliaires ne montrent aucune différence entre les deux traitements
CO2. Néanmoins, la concentration en glucides totaux dans les tissus racinaires est
significativement augmentée chez les plantes CO2+. Ainsi pendant les jours ayant précédé
notre échantillonnage, une acclimatation de la photosynthèse a pu avoir lieu, en raison d’une
accumulation de glucides dans les tissus foliaires et racinaires (régulation de la photosynthèse
par l’activité puits). Du fait d’une réduction de l’activité photosynthétique, les glucides
présents en grande quantité dans les tissus de la plante sont utilisés pour la croissance et la
maintenance de la plante. Par la suite, la diminution de la concentration en glucide dans les
feuilles permet de restaurer l’équilibre source-puits. L’acclimatation de la photosynthèse peut
être également un effet du CO2 dépendant de la saison, comme cela été observé sur le même
dispositif mais sur des plants de Trifolium repens à l’automne (Ainsworth et al., 2003b).
La défoliation, la fertilisation, le rythme des saisons ponctuent le développement d’une prairie
gérée de manière intensive, les flux de rhizodéposition dépendent de l’ensemble de ces
facteurs.
Apport d'azote
(g.m-2)
CO2+
CO2
56
14
56
14
Statistiques
CO2
N
N X CO2
263 (74,9)
295 (52,9)
400 (74,4)
392 (58,1)
Proba
Valeur de F
0,036
4,71
0,858
0,03
0,743
0,1
Tableau 11 : Flux spécifiques nets d’entrée de 14C dans le système plante-sol exprimés en KBq retrouvé par g-1
de parties aériennes, après l’échantillonnage d’automne pour les deux niveaux de CO2 (CO2+ : enrichi, CO2 :
ambiant) et les deux niveaux de fertilisation (56 et 14 g. m-2). Les valeurs entre parenthèses correspondent aux
intervalles de confiance, n=3. On fait l’hypothèse que la respiration des parties aériennes (non mesurée dans
notre étude) n’est pas modifiée par l’enrichissement en CO2.
107
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
3.2. Concentration en carbone total du sol et devenir des photoassimilats récents
dans la rhizosphère
La stimulation de la production de biomasse des plantes sous CO2 élevé, observée à
l’automne, est le résultat, à l’échelle de la repousse, d’une stimulation de l’activité
photosynthétique. Par conséquent, du fait de cette quantité de carbone entrant dans la plante
plus importante, les entrées de carbone dans le sol (litière aérienne, rhizodéposition,
renouvellement racinaire) auraient du être accrues augmentant ainsi la concentration en
carbone total du sol. Nos données montrent d’une part qu’après 9 années consécutives
d’enrichissement en CO2 de l’atmosphère, les flux de rhizodéposition ne sont pas affectés au
printemps et diminués à l’automne par le CO2. D’autre part, aucun changement significatif de
la concentration en carbone total du sol n’a été constaté. Ces données sont confirmées par des
résultats précédents obtenus sur le même site (Van Kessel et al., 2000 a, b ; Horwath et al.,
2000; Van Groeningen et al., 2002 ; de Graff et al., 2004). La teneur équivalente en carbone
total du sol entre les deux niveaux de CO2 peut également s’expliquer par :
-
la difficulté de déceler une faible variation du pool de C total sous l'influence de la
plante
-
l'absence de modifications des flux entrants de C dans le sol
-
un turnover plus rapide du carbone labile supplémentaire issu de la plante et entrant
dans la rhizosphère sous CO2 élevé (Horwath et al., 2000).
De Graff et al. (2004) observent sur le système FACE Suisse que le sol des parcelles de L.
perenne après 9 années d’exposition à des teneurs enrichies en CO2 et un apport d’azote faible
montre une respiration significativement plus élevée que le sol issu des parcelles ambiantes en
CO2.
En effet, nos résultats montrent que le taux de minéralisation du carbone (carbone 14
rhizodéposé et carbone total) est plus élevé dans le sol adhérent des plantes enrichies, ce,
malgré une biomasse microbienne de plus petite taille. Deux hypothèses peuvent être
formulées pour expliquer cet accroissement de l’activité minéralisatrice sous CO2 élevé :
i)
Une modification de l’activité et de la structure des communautés microbienne du
sol adhérent sous CO2 élevé (Monteallegre et al., 2002 ; Van Groeningen et
108
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
al., 2005). Ces communautés microbiennes peuvent être composées de
populations bactériennes capables de minéraliser plus facilement et plus
rapidement la matière organique labile.
ii)
La seconde hypothèse concerne la composition des rhizodépôts. On ne peut pas
exclure que des composés plus facilement décomposables peuvent être exsudés
en proportions plus importantes sous CO2 élevé que sous CO2 ambiant. Ces
composés sont par conséquents plus rapidement minéralisables.
Cette minéralisation plus rapide n’influence cependant pas significativement la respiration
rhizosphérique (respiration racinaire + respiration microbienne). Un rapide calcul montre que
l’augmentation de la capacité des micro-organismes à minéraliser le carbone rhizodéposé ne
peut pas influencer la respiration rhizosphérique. Si on exprime ces valeurs en flux
journaliers, les rendant ainsi comparables, la respiration rhizosphérique produit en moyenne
entre 17 Bq g-1 SA j-1 et 20 Bq g-1 SA j-1 respectivement sous CO2 élevé et CO2 ambiant, alors
que la minéralisation des composés marqués libérés dans le sol produit entre 0,63 Bq g-1SA j-1
et 0,81 Bq g-1 SA j-1 respectivement sous atmosphère ambiante et atmosphère enrichie en
CO2, ce qui ne peut pas induire de variations significative de la respiration rhizosphérique.
L’importance de la respiration racinaire par rapport à l’efflux total de CO2 du sol a déterminé
précédemment mise en évidence sur d’autre dispositif FACE. Andrews et al. (1999) ont
montré que la respiration racinaire correspondait à 55% de la respiration total du sol dans une
forêt de pins. Pendall et al. (2001) ont montré sur une culture de blé en système FACE que la
proportion de CO2 issu de la respiration racinaire pouvait atteindre 65% de la respiration
totale du sol.
3.3. Répartition de l’azote 15 dans la plante et rhizodéposition azotée
Le marquage au 15N des parties aériennes a été réalisé en vue de déterminer la rhizodéposition
azotée. Il s'agissait d'une première tentative dans notre laboratoire. L’interprétation des
résultats est complexe car la mesure du
15
N résulte d’un flux net, résultante d’un efflux
(diffusion passive d’acides aminés selon un gradient de concentration ; Paynel et al., 2001) et
d’un influx (mécanisme actif de réabsorption ; Jones et Darrah, 1994). Des études
complémentaires seraient nécessaires pour approfondir cet aspect.
109
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
Après l’échantillonnage du printemps, la rhizodéposition azotée n’est affectée ni par la
disponibilité en azote dans le sol ni par le CO2. En revanche, lors de l’échantillonnage
d’automne, la répartition de l’N dans le système plante-sol montre une augmentation de 14%
de l’allocation de l’N vers la rhizosphère pour les plantes ayant évoluées dans les parcelles où
l’azote est disponible en grande quantité. Néanmoins, notre étude ne permet pas de déterminer
quels sont les mécanismes en cause, même s’il a été montré que la rhizodéposition azotée est
stimulée par une augmentation de la disponibilité en azote dans le sol (Janzen, 1990). A
l’automne, l’augmentation de la concentration en CO2 dans l’atmosphère stimule également
l’allocation d’N vers la rhizosphère (33%). Ainsi, la rhizodéposition azotée est stimulée à la
fois par le CO2 et par l’apport de fertilisant. La rhizodéposition azotée a pu être stimulée en
raison d’une disponibilité élevée en azote dans le sol.
Les micro-organismes peuvent minéraliser l’azote organique libéré par la plante et le rendre
ainsi de nouveau disponible pour la croissance de la plante. Nos données ont montré que la
production de biomasse des plantes était particulièrement stimulée sous atmosphère enrichie
en CO2 avec un apport élevé d’azote. Dans les parcelles où l’azote est disponible en grande
quantité, la rhizodéposition azotée contribue à augmenter cette disponibilité en azote dans le
sol.
IV. Conclusion
Nos résultats montrent qu’au printemps, après une seule coupe et un seul apport d’azote, la
rhizodéposition carbonée n’est pas affectée par le CO2. En revanche, à l’automne après 3
défoliations et 4 apports d’azote, la rhizodéposition carbonée est diminuée sous CO2 enrichi.
Les flux de rhizodéposition apparaissent comme fluctuant au cours de la saison, déterminés
par le statut physiologique de la plante en réponse aux conditions environnementales et à la
gestion agronomique (fauche, fertilisation N). La contribution de la rhizodéposition aux
entrées de C dans le sol est donc difficile à prédire et à modéliser. Pour en rendre compte, il
est nécessaire d’appréhender ces flux tout au long de la saison de croissance.
La disponibilité en azote dans le sol est le moteur de la réponse de la croissance des plantes au
CO2. Ainsi, à l’automne, la production de biomasse des parties aériennes des plantes soumises
au fort apport d’azote est stimulée par le CO2.
A l’automne, nous observons un accroissement de la minéralisation par les micro-organismes
du carbone de la matière organique du sol ainsi que des rhizodépôts sous CO2 enrichi. Les
110
Elévation de la concentration en CO2 atmosphérique et rhizodéposition
micro-organismes utilisant l’azote organique pour leur fonctionnement et leur développement,
l’augmentation de la rhizodéposition azotée constatée à l’automne a pu par conséquent
stimuler leur activité minéralisatrice. Ainsi le carbone supplémentaire entrant dans le sol est
rapidement minéralisé, ce qui pourrait expliquer pourquoi la quantité de C retrouvé dans le sol
n’est pas modifiée après 9 années d’enrichissement.
111
Défoliation et les transferts de carbone vers la rhizosphère
Photographies 7 et 8 : Parcelle d’expérimentation à l’INRA-SAD de Mirecourt (88). Les photographies ont été
prises après la seconde coupe. Les piquets délimitent les parcelles et permettent de repérer plus facilement les
cylindres de PVC. La parcelle est régulièrement nettoyée de toutes mauvaises herbes.
112
Défoliation et les transferts de carbone vers la rhizosphère
F. INFLUENCE DE LA DÉFOLIATION SUR LA RÉPARTITION DES
ASSIMILATS DANS LA PLANTE ET LES TRANSFERTS DE CARBONE
VERS LA RHIZOSPHÈRE
Alors que le CO2 atmosphérique accroît la disponibilité en carbone pour la plante, la
défoliation, en revanche, la réduit en supprimant des organes source d'assimilats récents.
Ainsi, au niveau de la plante entière et de l'écosystème prairial, la défoliation par la fauche ou
par la pâture altère transitoirement l'assimilation de C et sa répartition dans la plante (Painter
et Detling, 1981; Richards, 1993; Morvan-Bertrand et al., 1999). Il est maintenant clairement
établi qu'immédiatement après la défoliation, le C est remobilisé à partir des réserves pour
alimenter le métabolisme des méristèmes et assurer les coûts de maintenance de la plante.
Ensuite, le C récemment assimilé au niveau des feuilles néo-formées après la défoliation
contribue à cette repousse et à la reconstitution des réserves utilisées dans les heures qui
suivent la défoliation (Welker et al., 1985; Briske et Richards, 1995; De Visser et al., 1997).
Les graminées prairiales re-mobilisent majoritairement le C provenant des feuilles et des tiges
résiduelles (subsistant après la coupe) plutôt que des racines (Richards et Caldwell, 1985;
Briske et Richards, 1995). Malgré tout, la croissance racinaire (Davidson et Milthorpe, 1966;
Richards, 1993) et le prélèvement d'azote (Jarvis et Macduff, 1989; Macduff et al., 1989) sont
affectés par la défoliation en raison de la diminution de la disponibilité en assimilats dans les
racines.
Alors que les effets de la défoliation sur l'allocation de C dans la plante sont maintenant bien
renseignés, il n'en est pas de même pour ses conséquences sur l'allocation de C vers la
rhizosphère et sa disponibilité pour les micro-organismes rhizosphériques : par exemple, la
défoliation peut augmenter (Holland et al., 1996; Paterson et Sim, 1999; Murray et al., 2004),
ne pas modifier (Todorovic et al., 1999) ou diminuer (Mikola et Kytöviita, 2002; Dilkes et al.,
2004) les quantités de C libéré par les racines. Ces différences tiennent à plusieurs raisons :
stratégies de repousse et d'allocation de C différentes entre espèces (Guitian et Bardgett,
2000), différentes fractions de C assimilé utilisées pour représenter le C libéré par les racines
(Mikola et Kytöviita, 2002), essais le plus souvent en conditions contrôlées (cf la partie
bibliographique pour plus d'éléments explicatifs sur ces aspects). La défoliation a des impacts
avérés sur les organismes rhizosphériques, comme les micro-organismes (Guitian et Bardgett,
113
Défoliation et les transferts de carbone vers la rhizosphère
2000; Hamilton et Franck, 2001), probablement en conséquence de la modification du flux
d'énergie disponible alimenté par les racines pour la croissance microbienne. Mais cela reste à
démontrer. Au-delà des conséquences sur la libération de C par les racines, la défoliation peut
affecter la qualité des tissus racinaires (Seastedt, 1985; Hokka et al., 2004) et stimuler la
mortalité des racines (Jarvis et Macduff, 1989). L'importance relative de ces différents
mécanismes n'est pas quantifiée; or, il est évident qu'au niveau d'un écosystème prairial, un
enjeu majeur consiste à évaluer les conséquences des modifications induites par la défoliation
sur le fonctionnement des sols car des effets en retour existent sur la croissance des plantes, le
prélèvement et l'allocation d'azote dans la plante (Hamilton et Frank, 2001; Mikola et al.,
2005).
En vue d'obtenir une image réaliste sur le plan agronomique et écologique des conséquences
de la défoliation sur le transfert du C récent de la plante vers le sol, nous avons établi une
expérimentation au champ dans laquelle des parcelles de ray grass sont défoliées ou non.
La quantification in situ de la rhizodéposition étant impossible et l’utilisation d’isotopes du
carbone en plein champ très contraignante, nous avons estimé les conséquences de la
défoliation par la mesure d'indicateurs de la rhizodéposition (cf synthèse bibliographique).
Ainsi, nous avons déterminé la croissance de la plante, la disponibilité en C dans la
rhizosphère, l'abondance, l'activité et la taille de la communauté microbienne rhizosphérique,
2 et 4 jours après la dernière défoliation. En effet, Paterson et Sim (2000) ont montré un
accroissement de la libération de C par les racines pendant les 2 premiers jours suivant la
coupe, suivi d’un retour à l’état initial dans les 3 jours suivant ce pic de libération de C par les
racines. L'abondance de différents groupes de nématodes (criblés selon leur aptitude
trophique) a été déterminée 6 jours après la coupe (Mikola et al., 2001 a, b). Certains groupes
de nématodes sont des prédateurs de micro-organismes. Leur abondance est donc
proportionnelle à celle des micro-organismes elle-même déterminée par la disponibilité en
carbone dans la rhizosphère car le C est le facteur le plus limitant du développement
microbien dans le sol. Les populations de nématodes pourraient constituer ainsi un indicateur
supplémentaire de la rhizodéposition.
De plus, comme il a été montré que la disponibilité en éléments nutritifs (notamment azote)
peut affecter la libération de composés organiques à partir des racines (Hale et al., 1971;
Grayston et al., 1996; Henry et al., 2005), l'étude a été conduite avec 2 niveaux contrastés de
disponibilité en N dans le sol.
114
Défoliation et les transferts de carbone vers la rhizosphère
Dans ce contexte, nous avons testé au champ l'hypothèse suivante : les modifications
d'allocation de C dans la plante (Holland et al., 1996) et des concentrations en C soluble
intra-racinaire (Paterson et Sim, 1999) induites par la défoliation modifient la
disponibilité en C dans la rhizosphère et influencent, en conséquence, l’abondance et
l’activité des micro-organismes et de leurs prédateurs.
Les analyses sur les nématodes du sol, principaux prédateurs des micro-organismes, ont été
effectuées par Juha Mikola, chercheur de l’Université de Jyväskylä (Finlande) qui collaboré
avec nous dans le cadre d'un projet Européen (réseau thématique CONSIDER) sur la
conservation de la biodiversité des sols dans des environnements changeants.
Ce chapitre a fait l'objet d'une publication dans Functional Ecology.
Bazot S., Mikola J., Nguyen C., Robin C. (2005). Do defoliation-induced changes in C
allocation of field-grown Lolium perenne affect C availability, microbes and microbial
feeders in soil? Functional Ecology, 19 (5), 886-896.
115
Défoliation et les transferts de carbone vers la rhizosphère
I. Matériels et méthodes
1.1. Dispositif expérimental
Cette expérience a été menée à la station expérimentale l’INRA SAD de Mirecourt dans le
département des Vosges (6° 81' E & 53° 6' N, Lorraine, France) (Photographies 7 et 8). Avant
la mise en place du dispositif, la parcelle a été traitée avec du glyphosate pour détruire les
adventices. Trois parcelles expérimentales, chacune constituant un bloc, (4 x 4 m chacune),
ont été semées à la volée (graines de ray grass cv. Canasta mélangées à du sable pour assurer
un semis homogène) à raison de 25 kg ha-1 le 2 septembre 2002. Le 15 mars 2003, les blocs
sont coupées à 5 cm au-dessus de la surface du sol pour éliminer la biomasse résiduelle en
sortie d'hiver et homogénéiser les couverts. Chaque bloc est ensuite divisée en 2 parcelles (2 x
4 m) et chacune de ces parcelles divisée en 2 sous-parcelles (1 x 4 m). Pour faciliter
l'individualisation de plantes, 4 plantes ont été choisies au hasard dans chaque sous-parcelle et
le sol autour de chaque plante isolé en enfonçant un cylindre de PVC (diamètre = 8cm,
hauteur = 25cm) autour de la plante. Ainsi, le sol de chaque cylindre n’est pas remanié et la
récolte de la plante facilitée.
Le dispositif comporte 2 traitements : défoliation et addition d'azote. Le traitement N est au
niveau de la parcelle (une parcelle de chaque bloc choisie au hasard et recevant 10 g N m-2 a-1
correspondant à 100 kg ha-1, l'autre ne recevant pas d'N). Le traitement défoliation est
appliqué au niveau sous-parcelle (une sous parcelle défoliée, l'autre laissée intacte). Les
défoliations interviennent lorsque le couvert végétal atteint 20cm de hauteur. La première
défoliation intervient le 30 avril 2003, la seconde défoliation intervient le 19 mai 2003.
L’azote est apporté sous forme d'une solution de NH4NO3 en deux fois : 5 g m-2 après chaque
défoliation, tandis que les parcelles sans addition de N reçoivent uniquement de l'eau.
1.2. Echantillonnages
L'essai est échantillonné 3 fois : 2, 4 et 6 jours après la dernière défoliation de mai. Au 1er et
2eme prélèvement, 2 cylindres de PVC incluant leur plante individualisée sont prélevés sur
chaque sous-parcelle en vue des mesures et analyses au laboratoire. Au 3eme échantillonnage,
2 carottes de sol (surface 9,6 cm2, hauteur 10 cm) sont prélevées aléatoirement sous des
116
Défoliation et les transferts de carbone vers la rhizosphère
plantes de chaque sous-parcelle en vue d'examiner la communauté de nématodes dans la
rhizosphère.
A chacun des 2 premiers échantillonnages, les cylindres de sol et leur plantes sont rapportés
rapidement au laboratoire. Toutes les talles sont coupées et les feuilles et les tiges sont
séparées puis séchées et pesées. Les racines et le sol adhérent sont prélevés selon le protocole
décrit précédemment.
1.3. Analyses sur les plantes et le sol.
La plupart des techniques analytiques ont été décrites précédemment. Seuls seront décrits les
éléments spécifiques à cette expérimentation. Après lyophilisation, les concentrations en C et
N dans les échantillons végétaux et le sol sont mesurées. La concentration en glucides totaux
dans les racines est mesurée par la méthode au phénol (Dubois et al., 1956). La concentration
en C soluble dans le sol adhérent est également déterminée grâce à la technique décrite cidessous.
La concentration en carbone soluble du sol adhérent est mesurée grâce à la technique
d’extraction à l’eau chaude. Cette technique permet de mesurer la concentration en carbone
organique labile du sol (C issu de la biomasse microbienne et de la matière organique formant
un pool de carbone facilement disponible pour les micro-organismes (Sparling et al., 1998)).
Du sol frais est séché pendant 12h à 37°C puis 5g sont finement broyés. Ils sont ensuite
mélangés à 25ml d’eau dans un flacon placé ensuite dans un bain-marie à 80°C pendant 18h.
Après agitation, le mélange sol et eau chaude est filtré sur papier Whatman n°42. La
concentration en carbone du filtrat est analysé au COTmètre (Shimadzu TOC-VCSH).
1.4. Analyses sur le compartiment microbien
Le carbone de la biomasse microbienne est analysée par la technique d’extraction fumigation
(Vance et al., 1987) décrite précédemment.
117
Défoliation et les transferts de carbone vers la rhizosphère
1.4.1. Evaluation de l’activité microbienne et de la disponibilité en C pour la biomasse
microbienne
L'activité microbienne et la disponibilité en C pour la BM sont évalués à l'aide d'un test mis
au point dans notre laboratoire et décrit par Nguyen et Henry (2002). Brièvement décrit, le
principe consiste à déterminer l’activité microbienne grâce à un apport de micro-quantités de
14
C-glucose à un sol; le glucose n’est que l'entraîneur du
14
C car il est apporté en quantité
infime pour ne pas influencer la taille du pool de C soluble et l’activité du compartiment
microbien (de l’ordre du nanogramme supplémentaire de C apporté par g de sol). La mesure
des quantités de 14C-glucose minéralisé (14CO2) est une mesure de l'activité microbienne. Il a
été montré que la proportion de
(14Cfe) et la proportion de
14
14
C incorporé dans le compartiment microbien augmente
C-glucose minéralisé (14CO2) par la biomasse microbienne
diminue lorsque la disponibilité en C dans le sol diminue (Nguyen et Henry, 2002) Ainsi, le
ratio 14 CO2/ 14Cfe est un indicateur de la disponibilité en C dans le sol : plus le ratio est élevé,
plus la quantité de C disponible pour la BM est élevé.
Pour réaliser ce test, 2 piluliers en verre de 25 ml contenant chacun 4 g de sol adhérent frais
(destiné à une extraction fumigation) sont placés dans un récipient d’incubation de 100ml
contenant 25ml de NaOH 1M. Dans chacun des deux piluliers en verre est appliquée une
aliquote de 100µL de
14
C-glucose (37 KBq.ml-1). Le récipient est immédiatement
hermétiquement fermé et mis à incuber à 22°C à l'obscurité pendant 6 jours.
Le 14CO2 respiré est ensuite régulièrement quantifié (1, 2, 6, 24, 30, 36, 49, 59, 72, 106, 130 et
144h après le début de l’incubation) par comptage en scintillation liquide de 0,5ml de soude
mélangé avec 5ml de Ultima Gold (Packard). Après l’incubation, une extraction fumigation
permet de doser le 14C incorporé dans le compartiment microbien (14Cfe).
1.4.2. Dénombrement des bactéries cultivables du sol
Les bactéries cultivables du sol représentent au plus 10% des bactéries totales du sol.
Cependant, ces bactéries utilisent pour se développer du carbone labile libéré par les racines.
Leur abondance dans la rhizosphère est ainsi un indicateur de la quantité de carbone libéré par
les racines et constitue un outil d’estimation de la rhizodéposition.
Cinq g de sol adhérent frais sont mis à agiter (40 tr.min-1) pendant 10 minutes dans 50 ml de
tampon phosphate (PBS ; 7,2g de NaCl, 2,8g de N2HPO4 et 0,4g de KH2PO4 par litre à pH
118
Défoliation et les transferts de carbone vers la rhizosphère
7,2). Après centrifugation (10 min à 750 rpm), 2 ml de surnageant contenant les microorganismes sont placés dans un tube auto-clavé contenant 18ml de PBS. Quatre dilutions en
cascade sont effectuées en série de 10-2 à 10-5. Cent micro-litres des solutions 10-3, 10-4 et 10-5
sont ensuite étalées sur boites de Pétri contenant du milieu nutritif TSA (Tryptone Soy Agar,
Difco). Pour chaque dilution, 2 répétitions sont effectuées. Les boites de Pétri sont incubées à
27°C à l'obscurité pendant 10 jours. Un premier comptage des colonies développées est
effectué 2 jours après le début de l’incubation (bactéries à stratégie r). Un second comptage
est effectué à la fin des 10 jours d’incubation (bactéries à stratégie k). Les résultats sont
exprimés en log CFU (Colony Forming Unit) par g de sol adhérent sec.
1.4.3. Analyse des aptitudes cataboliques des communautés microbiennes (Biolog®)
Cette méthode permet de mettre en évidence la structuration des communautés microbiennes
rhizosphériques selon sur les aptitudes cataboliques de la fraction cultivable des microorganismes. L’inoculation de plaques Biolog® GN2 est effectuée à partir de la dilution 10-3.
Cent cinquante microlitres sont inoculés dans chacun des 96 puits de la plaque. Chaque puits
contient un substrat. Les plaques sont placées à 27°C à l'obscurité pendant 72h. L’absorbance
de chaque puits correspondant au degré d’oxydation par les micro-organismes du composé
présent dans chaque puits est mesurée régulièrement à une longueur d’onde de 550nm grâce à
un lecteur de plaque (MR 7000 Dynatech).
Pour chaque puits, il est possible de tracer une courbe d’évolution de l’absorbance en fonction
du temps. L’intégration de cette courbe d’évolution donne une valeur caractérisant la
consommation du substrat sur la durée d’incubation. Les valeurs inférieures à celle obtenue
sur le puits ne contenant aucun substrat carboné sont considérées comme égales à zéro. Le
calcul d’une aire pour chaque puits permet de déterminer l’utilisation relative par les microorganismes de chacune des 95 sources carbonées. De même le calcul de l’indice de Shannon
H permet de déterminer la diversité globale d’utilisation des substrats par les microorganismes (Preston-Mafham et al., 2002).
H = -Σ (( Ai / ΣAi) X log10 (Ai / ΣAi)),
119
Défoliation et les transferts de carbone vers la rhizosphère
avec Ai l’aire calculée sur le puits i. Nous cherchons ensuite parmi les différentes classes
biochimiques de substrat (glucides, acides aminés, acides organiques…), par le biais d’une
analyse de variance si l’une ou plusieurs de ces classes sont plus spécifiquement utilisées par
les micro-organismes (Preston-Mafham et al., 2002).
1.5. Analyse de la communauté de nématodes
Les nématodes sont extraits à partir de 30 g de sol adhérent frais en utilisant un dispositif en
entonnoir (Sohlenius, 1979). Le nombre total d'individus est compté et à partir d'échantillons
de 150 individus, les genres de nématodes sont identifiés et alloués dans des groupes selon
leur aptitude trophique d'après Yeates et al. (1993).
1.6. Analyses statistiques
L’analyse statistique des données est réalisée, pour chaque variable, en faisant la moyenne de
deux échantillons par sous-parcelle. Les effets de la défoliation, de l’apport d’azote, de la date
de récolte, ainsi que les interactions entre ces différents facteurs sont analysées grâce à une
analyse de variance à facteurs hiérarchisés (du fait des 2 dates d’échantillonnages) avec le
logiciel SPSS (Statistical package ; SPSS, 2001). L’homogénéité des variances est testée en
utilisant le test de Levene. Dans le cas où l’homogénéité des variances n’est pas conservée,
les valeurs sont exprimées en logarithme. Si une interaction significative est mise en évidence
entre l’effet date et l’effet défoliation ou entre l’effet date et l’effet azote, les effets défoliation
et azote sont traités séparément. Si une interaction est significative entre défoliation et azote,
les facteurs sont alors analysés un par un.
Sur les figures, les barres verticales correspondent à 2 intervalles de confiances de la
moyenne.
120
Défoliation et les transferts de carbone vers la rhizosphère
II. Résultats
2.1. Production de biomasse végétale
On observe une interaction entre les effets de la fertilisation azotée et de la défoliation sur la
production de biomasse (biomasse résiduelle + biomasse récoltée) des parties aériennes
(Tableau 12); l’apport d’azote stimule 3,3 fois la production de biomasse des parties aériennes
des plantes non défoliées (P<0,001), mais n’a aucun effet sur les plantes défoliées (P=0,223).
La défoliation diminue de 27% la production de biomasse des parties aériennes des plantes
fertilisées (P=0,023), mais n’a pas d’effet significatif sur les plantes non fertilisées (P=0,178)
(Figure 28a, d).
La fertilisation et la défoliation n’ont pas d’effet sur la production de biomasse racinaire.
(Figure 28b, e ; Tableau 12). Le rapport de biomasse racines sur parties aériennes (PR/PA) est
diminué de 61% en moyenne par l’apport d’azote mais n’est pas affecté par la défoliation
(Figure 28c, f ; Tableau 12).
Plantes non coupées
Première récolte:
a. Parties aériennes
2,5
1
0,5
2
2
1,5
1,5
1
0,5
0
1
1
0,5
0
0
c. PR / PA
2,5
PR / PA
g. plante -1
g. plante -1
1,5
b. Tiges
2,5
2
Plantes coupées
0
0
Apport d'azote
0
1
1
Apport d'azote
Apport d'azote
Seconde récolte:
3,5
d. Parties aériennes
3,5
e. Tiges
3
3
2,5
2,5
2,5
2
1,5
PR / PA
3
g. plante -1
g. plante -1
3,5
2
1,5
2
1,5
1
1
1
0,5
0,5
0,5
0
0
0
1
Apport d'azote
f. PR / PA
0
0
1
Apport d'azote
0
1
Apport d'azote
Figure 28 : Production de biomasse sèche des plantes (g plante-1, biomasse défoliée + biomasse récoltée) et ratio
racines parties aériennes, 2 et 4 jours après la coupe dans les parcelles mono spécifiques de ray grass avec (1) ou
sans (0) apport d’azote. Les barres verticales correspondent aux intervalles de confiances (n=3).
121
Défoliation et les transferts de carbone vers la rhizosphère
2.2. Concentrations en carbone total, azote total des organes végétaux et en
glucides totaux dans les racines
La défoliation réduit la concentration en carbone dans les feuilles et les tiges respectivement
de 12 et 7% en moyenne, mais n’a aucune conséquences sur la concentration en C des racines.
L’apport d’N augmente la concentration en C des racines et des tiges respectivement de 7 et
9% en moyenne, mais ne modifie pas la concentration en carbone des feuilles (Figure 29 et
Tableau 12).
L’apport d’azote augmente les concentrations en azote dans la plante, avec 111, 101 et 38%
d’augmentation dans les feuilles, les tiges et les racines, respectivement (Figure 29 et Tableau
12). La défoliation réduit la concentration en azote des feuilles de 27% lors du 1er
échantillonnage (P=0,022) mais n’a aucun effet lors du second (P=0,585). La défoliation
augmente la concentration en azote dans les tiges de 14% en moyenne pour les deux
échantillonnages. La concentration en azote des racines reste inchangée (Figure 29 et Tableau
12). Entre les deux récoltes, la concentration en carbone et en azote dans les racines est
diminuée de 16 et 8%, alors que les concentrations dans les feuilles et les tiges restent
équivalentes (Figure 29 et Tableau 12). Les rapports C/N des différents organes de la plante
sont significativement diminués par l’apport d’azote, alors que la défoliation augmente ce
ratio dans les racines, le diminue dans les tiges et n’a pas d’effet significatif dans les feuilles.
122
Défoliation et les transferts de carbone vers la rhizosphère
Feuille
Tige
45
45
40
40
40
35
35
35
30
30
30
25
25
%C
25
%C
%C
20
20
20
15
15
15
10
10
10
5
5
5
0
0
4
%N
Racine
45
0
1
0
1
4
Apport d'azote
0
0
1
0
1
4
Apport d'azote
3,5
3,5
3
3
3
2,5
2,5
2,5
2
%N
1,5
2
1
1
0,5
0,5
0
120
0
1
0
0
120
Apport d'azote
1
0
1
0
120
Apport d'azote
100
100
100
80
80
80
C/N 60
C/N 60
C/N 60
40
40
40
20
20
20
0
0
0
1
0
1
1
0
1
Apport d'azote
2eme
récolte
1
0
1
Apport d'azote
0
0
Apport d'azote
1ere
récolte
1
1,5
1
1
0
2
%N
0,5
0
1
Apport d'azote
3,5
1,5
0
0
1ere
récolte
Plantes non coupées
2eme
récolte
0
1
0
1
Apport d'azote
1ere
récolte
2eme
récolte
Plantes coupées
Figure 29 : Concentrations en carbone et en azote, exprimées en pourcentage de la MS dans les feuilles, les tiges,
les racines, ratio C/N dans les feuilles les tiges et les racines, 2 (1ere récolte) et 4 (2eme récolte) jours après la
coupe des plants de ray grass avec (1) ou sans (0) apport d’azote. Les barres verticales représentent les
intervalles de confiance (n=3).
La défoliation augmente la concentration en glucides totaux dans les tissus racinaires de 26%
et de 18% respectivement lors de la première et de la seconde récolte (P=0,001 ; P=0,021).
L’apport d’azote n’a pas d’effet sur ce paramètre (Figure 30).
123
Défoliation et les transferts de carbone vers la rhizosphère
a. Première récolte
b. Deuxième récolte
1,2
mol. kg (hexose equ)
1
0,8
0,6
1
0,8
0,6
Plantes non coupées
0,4
Plantes coupées
-1
-1
mol. kg C (hexose equ)
1,2
0,4
0,2
0,2
0
0
0
1
0
Apport d’azote
1
Apport d’azote
Figure 30 : Concentrations en glucides totaux dans les racines, exprimée en mol. kg-1 de carbone en équivalent
hexose pour les différents traitements (0 : sans apport d’azote, 1 : avec apport d’azote), 2 (a) et 4 (b) jours après
la coupe. Les barres verticales correspondent aux intervalles de confiance (n=3).
2.3. Concentration en carbone et en azote du sol
Les concentrations en carbone total, carbone soluble et azote total du sol ne sont pas
modifiées par la défoliation et l’apport d’azote (Figure 31, Tableau 12).
Plantes non coupées
Première récolte :
2,00
a.
0,18
1,60
0,14
800
0,12
700
%N
1,00
0,80
mgC. kg -1
900
1,20
0,10
0,08
0,06
0,60
500
400
300
0,04
200
0,20
0,02
100
0,00
0,00
0
1
0
Apport d'azote
0
1
0,18
e.
1000
1,80
0,16
900
1,60
0,14
800
0,12
700
1,40
%N
1,20
1,00
0,80
500
0,08
400
300
0,40
0,04
200
0,20
0,02
100
0,00
0,00
0
1
Apport d'azote
f.
600
0,10
0,06
0,60
1
Apport d'azote
Apport d'azote
Deuxième récolte :
2,00
d.
Plantes coupées
c.
600
0,40
0
%C
1000
0,16
1,40
%C
b.
1,80
0
0
1
0
1
Apport d'azote
Apport d'azote
Figure 31 : Pourcentage de carbone (a, d) et d’azote total (b,e) ; concentration en carbone soluble (mg.kg-1 de sol
sec ; c, f) dans le sol adhérant (SA) des plantes coupées et des plantes non coupées issues des parcelles
fertilisées (1) et non fertilisées (0) après la première (a, b, c) et la seconde récolte (d, e, f). Les barres verticales
représentent les intervalles de confiance (n=3).
124
Défoliation et les transferts de carbone vers la rhizosphère
2.4. Compartiment microbien
Le carbone et l’azote (mg C. kg-1 et mg N. kg-1) de la biomasse microbienne du SA reste
inchangée pour les deux dates d’échantillonnage quel que soit le traitement (Figure 32 et
Tableau 12).
Dans le cas du test
14
C-glucose, la proportion de
14
C ajouté qui est respirée par la biomasse
microbienne est diminuée par l'apport d'azote au 1er prélèvement (P=0,018). Aucun autre effet
de N ou de la défoliation est observé; le ratio 14CO2/14Cfe n’est pas significativement affecté
par la fertilisation azotée et la défoliation, pour les deux dates de prélèvement (Figure 32 et
Tableau 12).
Le nombre de bactéries cultivables à stratégie r (2 jours d’incubation) n’est pas modifié par
les traitements (Figure 32 et Tableau 12). Les profils d’activité cataboliques des microorganismes (Biolog®, après 72h d’incubation) ne sont pas significativement affectés par la
défoliation et la fertilisation azotée aux deux d’échantillonnage; l’indice de Shannon
correspondant à la diversité d’utilisation des substrats carbonés par les micro-organismes du
sol adhérent reste le même quel que soit le traitement (Figure 32 et Tableau 12).
125
0
1
0
1
0
CO2 %retrouvé
120
100
80
60
40
14
N Microbien (mgN. kg -1)
140
20
0
1
0
1
0
1
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1
0
1
0
1ere
récolte
1
0
1
7
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1
Apport d'azote
0
2eme
récolte
Plantes non coupées
Plantes coupées
6
Indice de Shannon
14
CO2/14CFE
0
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
LogCFU. g-1 SA
C FE %retrouvé
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
14
C microbien (mgC. Kg -1)
Défoliation et les transferts de carbone vers la rhizosphère
5
4
3
2
1
0
0
1
0
1
Apport d'azote
1ere
récolte
2eme
récolte
0
1
0
1
Apport d'azote
1ere
récolte
2eme
récolte
Figure 32 : Carbone et azote microbien (mg C et N par kg de sol sec) pour le sol adhérent (SA); mesure de
l’activité microbienne (test glucose 14C) 14CO2 : 14C respiré (14CO2), 14CFE : 14C de la biomasse microbienne et
14
CO2/14CFE : activité microbienne exprimée proportionnellement à la biomasse microbienne dans le sol
adhérent, Nombre de bactéries cultivables à stratégie r (2 jours de développement) exprimée en log de CFU
(Colonies formant unités) par gramme de sol adhérent sec et indice de Shannon correspondant à la diversité
d’utilisation des substrats carbonés par les micro-organismes du sol adhérent des plantes coupées et des plantes
non coupées issues des parcelles fertilisées (1) et non fertilisées (0) après la première et la seconde récolte. Les
barres verticales représentent les intervalles de confiance (n=3).
126
Défoliation et les transferts de carbone vers la rhizosphère
2.5. Nématodes
L'abondance des nématodes herbivores est supérieure à celle des fongivores et bactérivores.
La défoliation diminue l’abondance des nématodes fongivores et herbivores en moyenne de
70 et 47% respectivement, mais n’a pas d’effet significatif sur l’abondance des nématodes
bactérivores, omnivores et des nématodes prédateurs. Aucun groupe de nématodes n’est
affecté par l’apport d’azote (Figure 33).
18
18
a. Fongivores
16
14
14
12
12
10
10
8
8
6
6
4
a
b
2
a
b
0
18
b. Herbivores
16
a
14
12
a
10
b
b
1
Apport d'azote
8
6
4
4
2
2
0
0
c. Bactérivores
16
0
0
1
0
Apport d'azote
Plantes non coupées
1
Apport d'azote
Plantes coupées
Figure 33 : Nombre de fongivores (a), herbivores (b) et bactérivores (c) par gramme de sol, dans les parcelles
coupées et non coupées, fertilisées (1) et non fertilisées (0). Les barres verticales correspondent aux intervalles
de confiance. Les différentes lettres montrent des différences significatives au seuil de 5%.
127
Défoliation et les transferts de carbone vers la rhizosphère
Variables
Production de biomasse
Parties aériennes
Racines
PR /PA
C concentration (feuilles)
C concentration (tiges)
C concentration (racines)
Concentration en sucre
totaux (racines)
N concentration (feuilles)
N concentration (tiges)
N concentration (racines)
C /N feuilles
C /N tiges
C /N racines
Sol adhérent
C Totale
Carbone soluble
N Totale
Compartiment microbien
C microbien
N microbien
14
CO2
14
CFE
14
CO2/14CFE
Strategie r bacterie
Strategie k bacterie
Indice de Shannon
Défoliation
F
P
Azote
Récolte
DxN
DxR
NxR
F
P
F
P
F
P
F
P
F
P
DxNxR
F
P
0,05
5,24
2,88
58
9,97
2,5
0,843
0,084
0,165
0,002
0,034
0,189
35,9
0,83
24,4
1,32
8,05
9,75
0,004
0,413
0,008
0,315
0,047
0,035
0,09
3,52
0,83
0,48
0,16
8,5
0,775
0,134
0,413
0,526
0,712
0,043
16,5
5,06
2,64
0,05
0,09
<0,01
0,015
0,088
0,18
0,834
0,776
0,955
0,14
0,11
0,26
2,77
7,07
0,68
0,729
0,757
0,636
0,172
0,056
0,457
0,36
1,84
1,31
0,34
0,02
0,8
0,582
0,247
0,317
0,592
0,89
0,421
<0,01
0,16
0,64
0,02
0,01
3,66
0,976
0,71
0,469
0,895
0,915
0,128
31,5
9,27
16,3
3,25
0,37
105
21,2
0,005
0,038
0,016
0,146
0,578
0,001
0,01
0,07
336
204
13,5
152
204
10,7
0,801
<0,001
<0,001
0,021
<0,001
<0,001
0,031
1,83
11,1
0,78
7,81
17,8
0,95
3,55
0,247
0,029
0,428
0,049
0,014
0,385
0,133
2,66
0,05
2,65
0,12
0,01
4,09
<0,01
0,178
0,831
0,179
0,744
0,93
0,113
0,966
10,3
9,92
0,4
0,06
10,3
0,62
0,03
0,033
0,035
0,564
0,825
0,033
0,476
0,867
0,55
1,19
0,31
1,92
0,02
0,02
1,25
0,5
0,337
0,61
0,238
0,909
0,891
0,326
0,59
0,12
0,69
0,48
2,22
0,1
1,14
0,485
0,752
0,454
0,527
0,211
0,765
0,345
0,65
0,5
<0,01
0,465
0,524
0,968
0,1
0,92
2,38
0,773
0,392
0,197
12,5
0,01
6,02
0,024
0,926
0,07
7,01
0,02
1,92
0,057
0,889
0,239
0,58
1,08
1,48
0,488
0,407
0,291
1,91
2,42
0,01
0,24
0,18
0,946
0,02
3,98
0,86
0,893
0,184
0,406
0,14
2,64
0,26
3,33
2,01
2,14
2,65
0,01
0,723
0,151
0,64
0,142
0,229
0,217
0,179
0,933
0,01
0,02
0,76
1,16
1,36
<0,01
<0,01
0,22
0,923
0,884
0,434
0,342
0,309
0,972
0,967
0,666
7,8
18,9
23,9
0,02
4,93
7,65
0,048
0,006
0,008
0,907
0,091
0,051
0,277
0,388
0,188
0,989
0,534
0,825
0,62
11,9
10,6
<0,01
1,45
<0,01
0,473
0,016
0,031
0,961
0,295
0,963
14,3
1,87
0,13
1,65
0,76
0,64
0,032
0,265
0,734
0,269
0,432
0,47
0,028
0,723
0,073
0,586
0,07
0,165
0,203
0,633
0,476
1,76
1,02
2,51
<0,01
0,46
0,06
11,4
0,14
4,51
0,35
6
2,87
2,31
0,27
0,62
0,04
0,844
0,27
0,629
1,62
0,272
Tableau 12 : Résultats des analyses statistiques pour les différents paramètres analysés : Production de biomasse,
concentration en C et en N et ratio C/N dans les différents organes de la plante, Concentration en carbone, azote
total et carbone soluble du sol adhérent, C et N microbien, activité microbienne (test glucose
14
C), étalement
®
bactérien et test Biolog (indice de Shannon). Les effets défoliation, azote et date de récolte sont testés, ainsi
que les interactions Défoliation X Azote, Défoliation X Récolte, Azote X Récolte, Défoliation X Azote X
Récolte. Les effets sont considérés comme significatifs au seuil de 5%.
128
Défoliation et les transferts de carbone vers la rhizosphère
III. Discussion
A notre connaissance, cette étude est la première s’intéressant aux conséquences de la
défoliation sur la plante, les micro-organismes du sol et leurs prédateurs sur des plantes se
développant dans un couvert végétal au champ. En effet, tous les travaux précédents ont été
conduits en conditions contrôlées et étudiaient indépendamment les plantes et les microorganismes (Dyer et Bokhari 1976; Bokhari 1977; Delting et Painter 1983; Holland et al.,
1996; Paterson et Sim 1999, 2000; Hamilton et Frank 2001; Paterson et al., 2003). Nous
souhaitions maintenir un réalisme agronomique (notamment pour l’apport de fertilisant, la
coupe à 5 cm de hauteur maintenant une surface foliaire résiduelle, échantillonnage après
deux défoliations successives) pour tester l'hypothèse d'une modification de la disponibilité en
C dans la rhizosphère par la défoliation.
3.1. La défoliation modifie la répartition de carbone dans la plante
Les changements quantitatifs et qualitatifs des paramètres de croissance de la plante induits
par la défoliation dépendent de la disponibilité en azote dans le sol. En effet, la réponse de la
plante à l’apport d’azote est forte. La fertilisation azotée stimule la production de biomasse et
le ratio de biomasse racines sur parties aériennes (PR/PA) est réduit. Lorsque l’azote est
limitant, une augmentation de la biomasse racinaire et de la longueur des racines est
classiquement observée. Ceci permet une exploration plus importante du compartiment
souterrain afin de puiser au mieux les nutriments présents dans le sol (Fitter, 1985 ; Paterson
et Sim, 1999).
Après la défoliation la production de biomasse des parties aériennes dans les parcelles
fertilisées est réduite. A l’inverse dans les parcelles non fertilisées, la défoliation n’affecte pas
la croissance des plantes. La défoliation réduit l’assimilation de nutriment par les racines
(Jarvis et Macduff, 1989; Donaghy et Fulkerson, 1998). Ainsi, l’apport d’azote ayant lieu
après la coupe, la réduction de croissance des plantes défoliées présentes au sein des parcelles
fertilisées, peut être le résultat de cette capacité réduite à utiliser l’azote supplémentaire
disponible dans le sol. Ces données sont confirmées par le fait que l’apport d’azote
n’augmente pas de manière significative la production de biomasse des parties aériennes
quand les plantes sont coupées, mais stimule la production de biomasse des parties aériennes
des plantes non coupées.
129
Défoliation et les transferts de carbone vers la rhizosphère
Au-delà de ces aspects quantitatifs, la défoliation induit des changements qualitatifs dans la
répartition du carbone dans la plante. La concentration en carbone dans les talles est plus
faible, alors que la concentration en glucides totaux dans les racines est significativement
augmentée. Ces résultats vont à l’encontre des observations habituelles, expliquant que les
plantes tolèrent la défoliation en mobilisant le carbone issu des réserves vers les méristèmes
foliaires à la base des talles, au dépend des racines (Caldwell et al., 1981; Miller and Rose
1992; Briske et Richards, 1995; Strauss et Agrawal 1999). Peu de changements sont observés
dans notre cas au niveau des racines, sans doute parce que les réserves y étant stockées sont
peu mobilisées. L’augmentation de l’activité photosynthétique des nouvelles feuilles (Delting
et al., 1979 ; Richards et Caldwell, 1984 ; Hiernaux et Turner, 1996) conjointement à la
remobilisation des réserves présentes à la base des talles (Morvan-Bertrand et al., 1999a, b)
contribuent à la repousse de la plante.
Le modèle d’allocation du carbone dans la plante illustre la stratégie qu’adopte les plantes
défoliées en stockant préférentiellement le carbone dans des organes moins accessibles pour
les herbivores (base des talles, racines).
3.2. La disponibilité en carbone et en azote dans la rhizosphère n’est pas modifiée
par la défoliation
La disponibilité en carbone dans la rhizosphère est le moteur des activités microbiennes dans
la rhizosphère, qui en retour vont influencer le fonctionnement de la plante. En effet
l’accroissement de l’activité photosynthétique chez les plantes défoliées couramment
observée (Delting et Painter, 1983; Richards et Caldwell, 1985) n’est pas simplement une
réponse physiologique de la plante à la défoliation, incluant une remobilisation des ressources
vers les parties aériennes, mais est également le résultat d’un rétrocontrôle positif entre les
plantes coupées et les communautés microbiennes de la rhizosphère. Ces communautés, dont
le développement et l'activité dépendent de la disponibilité en C facilement assimilable,
minéralisent les nutriments et les rendent ainsi disponibles pour la plante. Par conséquent, il
est primordial d’évaluer si la défoliation peut moduler la disponibilité en carbone pour les
micro-organismes.
Des études précédentes menées par l’équipe, montrent une relation positive entre la
concentration en composés solubles dans les racines et la rhizodéposition (Marchand, 2003 ;
Henry, 2004). Cette même relation a été mise en évidence dans d'autres travaux (Mikola et
130
Défoliation et les transferts de carbone vers la rhizosphère
Kytöviita, 2002; Dilkes et al., 2004). L'augmentation de l’allocation de photo-assimilats aux
racines après la coupe (Holland et al., 1996) ainsi que l’accroissement de la concentration en
carbone soluble dans les racines des plantes défoliées (Paterson et Sim, 1999) devrait donc
logiquement entraîner une stimulation de la rhizodéposition carbonée. Or, nos résultats ne
confirment pas cette relation; l'augmentation de la concentration en composés solubles dans
les racines suite à la défoliation n’est pas accompagnée d'une plus grande disponibilité en C
dans la rhizosphère. Cette relation contradictoire a été également observée par Paterson et al.
(2003) qui montrent que la coupe diminue la concentration en C soluble dans les racines de
fétuque rouge mais augmente l'exsudation racinaire. Murray et al. (2004) a récemment montré
qu’il n’y avait pas de changement significatif de l’exsudation de carbone total par les racines
de Agrostis capillaris suite à une défoliation. Dans d’autres études sur les graminées, la
libération de carbone par les racines augmente (Holland et al., 1996 ; Paterson et Sim, 1999,
2000; Paterson et al., 2003) ou diminue (Mikola et Kytöviita, 2002 ; Nguyen et Henry, 2002 ;
Dilkes et al., 2004) après la défoliation.
L’activité et la biomasse microbienne, ainsi que l’abondance des nématodes bactérivores
montrent également que la disponibilité en composés carbonés labiles dans la rhizosphère
n’est probablement pas affectée par la défoliation.
Toutes ces études suggèrent que les conséquences de la défoliation sur la libération de
carbone par les racines sont controversées et donc difficiles à prédire. Ces études diffèrent
cependant de la nôtre et entre elles au niveau des espèces utilisées, du régime de coupe ou
encore de la fraction du carbone assimilé mesuré dans la rhizosphère (Mikola et Kytöviita,
2002). Face à ces travaux, nos résultats ont l’avantage d’avoir été obtenus dans des conditions
de plein champ en respectant un réalisme agronomique. Dans ce contexte, la défoliation n'a
pas d'effets majeurs sur l'allocation de C à la rhizosphère.
La moindre densité de nématodes herbivores (se nourrissant notamment de débris racinaires)
est probablement causée par une modification de la qualité des tissus racinaires après la coupe
(ratio C/N plus élevé). Cependant, il est fréquent d’observer une augmentation de la qualité
des tissus racinaires après la coupe (Seastedt, 1985; Seastedt et al., 1988 ; Hokka et al., 2004).
Pour ce qui est des fongivores, la réponse est plus inattendue. Leur abondance est diminuée
après la coupe. Celle-ci dépend directement du développement des champignons. Dans nos
analyses nous n’avons pas de mesure directe des conséquences de la défoliation sur le
131
Défoliation et les transferts de carbone vers la rhizosphère
compartiment fongique. Un moindre développement de ce dernier a pu réduire l’abondance
des fongivores.
La fertilisation azotée n’affecte pas la communauté de nématodes du sol. La seule
conséquence observable de l’apport d’azote concerne l’activité minéralisatrice des microorganismes après la première récolte. Cette dernière est réduite et peut illustrer une plus faible
compétition entre la plante et les micro-organismes lorsque l’azote n’est pas limitant.
Hamilton et Frank (2001) ont récemment montré que l’augmentation de la libération de
carbone par les racines de Poa pratensis après la coupe stimule la croissance des microorganismes, augmente la disponibilité en azote dans la rhizosphère et finalement engendre un
accroissement de la concentration en N dans les parties aériennes des plantes défoliées.
Contrairement à ces travaux et à ceux d'Hokka et al. (2004) montrant une forte augmentation
de la concentration en azote chez Phleum pratense après la coupe, dans notre cas, la
défoliation n'a qu'un faible impact sur la concentration en azote dans la plante. Ainsi, dans
notre étude, la disponibilité en azote dans la rhizosphère n’est probablement pas augmentée
par la défoliation car la libération de C, la croissance et l'activité microbienne ne sont pas
stimulée.
IV. Conclusion
Dans notre expérimentation au champ, la défoliation n'engendre pas de modifications de la
quantité de composés organiques libérés par les racines ou les variations des flux d'exsudation
sont beaucoup trop faibles pour provoquer des variations de la biomasse, de l’activité ou de la
structure du compartiment microbien dans les quatre premiers jours suivant la coupe.
En revanche, cette expérimentation montre que la libération de composés organiques par les
racines n’est pas toujours dépendante de la concentration en carbone soluble intra-racinaire.
Ainsi, dans le cadre de cette étude, la concentration en carbone soluble dans les racines ne
constituerait pas un bon indicateur de la rhizodéposition, contrairement à ce qui est
classiquement observé en conditions plus contrôlées au laboratoire.
132
Conclusions générales et perspectives
G. CONCLUSIONS GENERALES ET PERSPECTIVES
La rhizosphère constitue une interface par laquelle transitent des composés organiques libérés
par les racines. Cet efflux, qui contribue aux transferts de C d'origine végétale vers le sol, est
étroitement dépendant du fonctionnement de la plante.
Ainsi, dans ce contexte, notre travail vise à étudier le couplage entre l'écophysiologie de la
plante et la rhizodéposition. Nous avons choisi de travailler sur une graminée pérenne : le
ray grass anglais Lolium perenne L. Cette plante possède des réserves carbonées qui sont
périodiquement remobilisées et reconstituées du fait des régimes de défoliation et des rythmes
nycthéméraux et saisonniers ponctuant sa période de vie. Ces réserves carbonées sont
susceptibles de contribuer aux flux de rhizodéposition.
Nous nous sommes placés dans un premier temps à l‘échelle de la plante indépendante de son
environnement afin de définir la contribution du carbone récemment assimilé par la
plante à la rhizodéposition. La contribution du carbone issu de la remobilisation des réserves
aux transferts de C à la rhizosphère n’avait jusqu’alors jamais étudiée. Cependant, il est
reconnu qu’en fonction de leur origine le long du système racinaire, la nature biochimique
des rhizodépôts varie, ce qui affecte l’activité et le développement microbien dans la
rhizosphère, modifiant en retour par le jeu de rétro-contrôles la croissance et la physiologie de
la plante.
Pour appréhender cette question, nous avons développé pour la première fois au laboratoire
un double marquage long des parties aériennes des plantes (14CO2 /
13
CO2). Cette
technique nous est apparue comme étant la plus adaptée pour déterminer in situ la
contribution à la rhizodéposition du C anciennement assimilé par la plante par rapport à celle
du C nouvellement assimilé. Contrairement à ce qui est admis généralement, le C ancien
apparaît comme contribuant significativement à la rhizodéposition. Cependant, nos
résultats ne permettent pas de quantifier la part de C récent et de C ancien composant
les flux de rhizodéposition. Cette première étude devra être complétée pour quantifier in situ
ou en conditions hydroponiques la part du C ancien et du C nouveau retrouvée dans la
rhizodéposition (marquages longs et pulses). De plus, une étude ciblée sur la racine devrait
permettre de quantifier ces 2 flux de rhizodéposition au niveau des sites d’exsudation (zone
d’élongation et apex notamment).
133
Conclusions générales et perspectives
Dans un second temps nous avons élargi notre travail à la plante interagissant avec son
environnement. Nous avons ainsi cherché à évaluer comment des contraintes subies par les
parties aériennes de la plante modulent les flux de C récent vers la rhizosphère. En
conditions contrôlées, les facteurs étudiés (CO2, défoliation, disponibilité en azote dans le sol)
modulent les flux de C vers le sol et notamment les flux de rhizodéposition. Ainsi, les
caractéristiques biotiques (micro-organismes) et abiotiques (structure, physicochimie) du sol
sont modifiées et affectent les cycles biogéochimiques dans la rhizosphère et plus largement
la qualité des sols.
En est-il de même sur des dispositifs de terrain conduits de manière intensive mais
conservant un réalisme écologique et agronomique ? Peu d’études s’intéressent aux
variations des flux de rhizodéposition à l’échelle de la plante interagissant avec son
environnement.
L’utilisation du 14C et du 15N au laboratoire et d’indicateurs au champ de la disponibilité en C
dans la rhizosphère nous ont semblé être les outils les plus adéquats à mettre en œuvre. Ainsi,
notre étude a contribué au développement d'outils pour estimer ou mesurer la
rhizodéposition (marquages isotopiques des parties aériennes, détermination de nématodes
comme indicateurs de disponibilité en C dans la rhizosphère…).
Nos observations montrent qu’en conditions de plein champ, le fonctionnement de la plante
est conditionné par l’ensemble des interactions entre tous les facteurs de l’environnement
(gestion de la parcelle cultivée, climat…). C’est pourquoi, des effets nets de certains facteurs
(comme ceux du CO2 ou de la défoliation) observés en conditions contrôlées sont beaucoup
moins marqués dans nos conditions de plein champ.
Notre étude montre que la disponibilité en azote dans le sol est un facteur déterminant la
réponse des plantes à l’élévation des concentrations en CO2 ou à la défoliation. Sous
atmosphère enrichie en CO2, l'azote est le moteur de la réponse de la production de biomasse
des plantes au CO2. La défoliation, après un apport d’azote, réduit la biomasse des plantes,
alors qu’à l’inverse, sur les parcelles non fertilisées, la défoliation n’affecte pas la croissance
des plantes.
Les flux de rhizodéposition apparaissent comme fluctuants, déterminés par le statut
physiologique de la plante en réponse aux conditions environnementales et à la gestion
agronomique (fauche, fertilisation N). Par ailleurs, en développant des indicateurs de la
134
Conclusions générales et perspectives
rhizodéposition carbonée, l’équipe a précédemment démontré en conditions contrôlées une
corrélation positive entre la concentration en C soluble racinaire et la concentration en C
soluble dans la rhizosphère. Nos résultats obtenus en conditions naturelles ne le montrent pas
pour les plantes défoliées, malgré un accroissement de la concentration en glucides totaux
dans les racines. Ainsi, cette relation simple n'est probablement pas valide lorsque des
facteurs biotiques et abiotiques de l'environnement racinaire interviennent sur la physiologie
de la racine.
La contribution de la rhizodéposition aux entrées de C dans le sol est donc difficile à
prédire et à modéliser. Pour en rendre compte, il est nécessaire d’appréhender ces flux tout
au long de la saison de croissance.
Au travers de ce travail nous n’avons évalué qu’un des volets concernant les facteurs
modulant les flux de rhizodéposition. Outre des contraintes appliquées aux parties aériennes
de la plante, des contraintes appliquées au niveau du système racinaire peuvent influencer la
rhizodéposition et les processus lui étant associés. En effet, l’architecture racinaire, le nombre
d’apex racinaires, peuvent être affecté par l’environnement « sol ». Des contraintes
mécaniques, des variations de températures ou d’humidité (relatives aux changements
climatiques) peuvent modifier la morphologie du système racinaire, et affecter
quantitativement et qualitativement la rhizodéposition. C’est alors le contrôle de la
rhizodéposition par l’environnement racinaire qu’il serait nécessaire d’étudier.
Suite à ce travail il est nécessaire de s’interroger sur à l’intérêt de mesurer les flux de
rhizodéposition puisque ces derniers ne varient que très faiblement en conditions de plein
champ lorsque les plantes sont soumises à des contraintes tenant à l’environnement ou aux
pratiques agronomiques. En effet, dans des agro-systèmes prairiaux intensifs tels que ceux qui
ont constitué le cadre de notre étude, la rhizodéposition n’apparaît pas comme contribuant de
manière significative à l’apport de C au sol. Ainsi, il paraît difficile d’agir sur la composante
quantitative de la rhizodéposition par le biais de la plante afin d’améliorer la gestion et la
qualité agro-environnementales des sols. Cependant, l’activité biologique est la clé du
fonctionnement de la rhizosphère. Cette activité biologique dépend de la totalité du C
entrant dans le sol (détritusphère et rhizosphère), aussi bien par le biais de la rhizodéposition,
du renouvellement racinaire ou encore de la chute de litière. Celle-ci contrôle le
fonctionnement des sols, comme nous avons pu l’observer sur le dispositif FACE où l’activité
135
Conclusions générales et perspectives
minéralisatrice des micro-organismes est accrue. Cette activité provoque une libération sous
forme de CO2 plus rapide du C supplémentaire entrant dans le sol du fait d’une production de
biomasse végétale stimulée sous atmosphère enrichie en CO2. Au-delà du flux quantitatif de
rhizodéposition, la qualité des rhizodépôts mais également la qualité de l’ensemble des
composés carbonés issus de la plante (débris racinaires, litière) contrôlent l’activité et le
développement des micro-organismes. En modifiant les relations source-puits dans la plante
la nature des composés libérés par la plante peut varier influençant ainsi l’activité, la
composition et le développement des micro-organismes. En conditions de plein champ, c’est
donc le couplage entre l’écophysiologie de la plante, la nature biochimique des composés
libérés dans sol (dont les rhizodépôts font partie) et l’activité biologique du sol qui serait
intéressant d’étudier en vue de comprendre les processus clés du fonctionnement
rhizosphérique et d’améliorer la gestion et la qualité agro-environnementale des sols.
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158
Figures
FIGURES
Figure 1 : Flux annuels et stocks de carbone en giga tonnes (milliards de tonnes de carbone)
(Figure tirée de "L'Avenir Climatique", d'après GIEC, 1996).
Figure 2 : Représentation schématique de l’allocation et de la répartition du carbone dans la
plante (d’après Tabourel-Tayot, 1997).
Figure 3: Modèle simplifié présentant le carbone issu de la photosynthèse importé jusqu’aux
racines puis transféré dans le sol (d’après Dilkes et al., 2004). Ce schéma vient en
complément du schéma précédent (Figure 2) caractérisant la répartition du carbone dans la
plante. La rhizodéposition est en continuité avec la plante.
Figure 4: Représentation schématique des effets positifs et négatifs directs et indirects des
exsudats racinaires sur la croissance de la plante (d’après Jones et al., 2003).
Figure 5: Schéma récapitulatif des effets de l’élévation du CO2, de la défoliation et de la
fertilisation azotée sur les transferts de C dans la plante.
Figure 6 : Schéma conceptuel récapitulant nos objectifs de travail
Figure 7: Dispositif de marquage des parties aériennes des plantes au 14CO2, 13CO2. c chaux
sodée, dm : débitmètre massique, f : filtre de 0,2µm, o : ordinateur, pp : pompe péristaltique ;
pa : pompe aquarium ; pe : piège à eau.
Figure 8 : Activité spécifique de la chambre pendant le marquage (exemple d’un marquage
court de 1h). A la fin du marquage, l’activité spécifique dans la chambre de marquage décroît
rapidement grâce au fonctionnement d’une pompe forçant l’ai re de l’enceinte à traverser un
piège à chaux sodée piégeant le 14CO2 encore présent dans l’enceinte de marquage.
159
Figures
Figure 9 : Evolution de la concentration en CO2 dans l’enceinte de marquage, avant, pendant
le marquage et après le marquage. Grâce au système informatique, la concentration en CO2
dans l’enceinte de marquage reste constante tout au long de l’expérience.
Figure 10 : Dispositif de marquage des plantes au
15
NH3. Les plantes assimilent le
15
N par
leurs parties aériennes. dm : débitmètre massique, o : ordinateur, pp : pompe péristaltique ;
pa : pompe aquarium ; pe : piège à eau.
Figure 11 : Protocole de récolte des plantes après la période de culture
Figure 12 : Représentation schématique de la pré-extraction, fumigation extraction (Vance et
al., 1987).
Figure 13 : Schéma des pots de culture. Ces pots sont composés de deux cylindres de PVC
s’emboîtant l’un dans l’autre grâce à un collier. Il sont séparés par une toile de nylon (maille
1µ). Le tube supérieur est défini comme étant le compartiment « racine », le tube inférieur
comme le compartiment « rhizosphère ».
Figure 14 : Chronologie des différentes étapes de l’expérimentation. Pendant les 28 premiers
jours les plantes sont placées en phytotron, ensuite 14 plantes sont mises dans l’enceinte de
marquage afin de réaliser le marquage.
Figure 15: Production de biomasse (Parties aériennes, racines, biomasse totale exprimées en g
. plante-1) et ratio de biomasse PR/PA des plantes récoltées à la fin du premier (récolte 1, 14C)
et à la fin du second marquage (récolte 2, 13C).
Figure 16 : Répartition du 14C à la fin du premier marquage ainsi que du 13C et du 14C à la fin
du second marquage dans la plante et le sol. Les résultats sont exprimés en % total retrouvé.
Figure 17 : La figure représente la cinétique de libération du 14C et du 13C dans le sol adhérent
du compartiment rhizosphère (exprimé en µg de C marqué par g de sol adhérent) à J3, J6 J8 et
J10 après le début du marquage au
13
C. Les barres verticales représentent les intervalles de
confiance.
160
Figures
Figure 18 : La figure représente la cinétique de l’allocation du
14
C et du
13
C à la respiration
rhizosphérique (exprimé en µg de C marqué par g de sol adhérent) à J3, J6, J8 et J10 après le
début du marquage au 13C. Les barres verticales représentent les intervalles de confiance.
Figure 19 : Container de marquage renfermant un cylindre de PVC planté d’un ray grass
destiné à être marqué au 14CO2. Le couvercle présente une ouverture permettant le passage de
la plante. Cette ouverture, une fois la plante mise en place est bouchée avec du silicone
liquide. Le couvercle présente également 2 trous permettant le branchement de 2 tuyaux reliés
aux pièges à soude utilisés pour piéger le CO2 issu de la respiration rhizosphérique.
Figure 20 : Biomasse sèche des parties aériennes (a, e), des racines (c, g), biomasse sèche
totale (b, f) de la plante en g. plante-1 et ratio de matière sèche Parties racinaires PR / Parties
aériennes PA (d, h) des plants de Lolium perenne récoltés en Juin (printemps, a, b, c, d) et en
Septembre (automne, e, f, g, h) dans les anneaux enrichis en CO2 et ambiants, pour les deux
niveaux de fertilisation azotées (56 et 14 g N. m-2). Les différentes lettres représentent les
résultats du test de Tukey Kramer, effectué lorsqu’une interaction significative est révélée par
l’analyse de variance ; n=3.
Figure 21: Répartition du 14C assimilé exprimé en pourcentage de 14C total retrouvé %RTR
dans les parties aériennes (a, f), le compartiment souterrain (c, h) (racines b, g; respiration
rhizosphérique RR d, i ; et le sol incluant sol adhérent, sol non adhérent et biomasse
microbienne e, j), lors des échantillonnages du printemps (a, b, c, d, e) et de l’automne (f, g, h,
i, j) au sein des monocultures de ray grass, pour deux niveaux de fertilisation azoté (56 et 14
gN.m-2). Les barres verticales représentent les intervalles de confiance (n=3). Les différentes
lettres représentent les résultats du test de Tukey Kramer, effectué lorsqu’une interaction
significative est révélée par l’analyse de variance.
Figure 22 : Pourcentage de 15N dérivé de l’atmosphère dans les feuilles (a), les tiges (b), les
racines (c) et le sol adhérent (d) pour les échantillonnages du printemps au sein des
monocultures de ray grass sous atmosphère ambiante ou enrichie en CO2 , sous deux niveaux
de fertilisation.. Les barres verticales présentent les intervalles de confiances (n=3).
161
Figures
Figure 23 : Pourcentage de 15N dérivé de l’atmosphère dans les feuilles (a), les tiges (b), les
racines (c) et le sol adhérent (d) pour les échantillonnages de l’automne au sein des
monocultures de ray grass sous atmosphère ambiante ou enrichie en CO2 , sous deux niveaux
de fertilisation.. Les barres verticales présentent les intervalles de confiances (n=3).
Figure 24: Concentrations en glucide totaux exprimées en mol de glucide par kg d’échantillon
en équivalent hexose, dans les feuilles (a, c) et dans les racines (b, d) après les
échantillonnages du printemps (a, b) et de l’automne (c, d) au sein des monocultures de ray
grass, pour deux niveaux de fertilisation azoté Les barres verticales représentent les
intervalles de confiance (n=3).
Figure 25: C microbien (mg C kg-1 de sol) du sol adhérent (SA) et non adhérent (SNA) lors
des échantillonnages du printemps (a, c) et de l’automne (b, d) au sein des monocultures de
ray grass sous atmosphère ambiante ou enrichie en CO2 , sous deux niveaux de fertilisation.
Les barres verticales représentent les intervalles de confiance (n=3).
Figure 26a et b: Production de 14CO2 pendant l’incubation de sol adhérent (SA) exprimée en
Bq respiré par g de sol adhérent (SA) (26a) et en % de 14C présent au début de l’incubation
dans le sol (26b) lors de l’échantillonnage de l’automne au sein des monocultures de ray grass
sous atmosphère enrichie ou ambiante en CO2, sous deux niveaux de traitement azoté. Les
barres verticales représentent les intervalles de confiance (n=3).
Figure 27: Production de CO2 pendant l’incubation de sol adhérent (SA) exprimée en mg de C
respiré par g de sol adhérent (SA) lors de l’échantillonnage de l’automne au sein des
monocultures de ray grass sous atmosphère enrichie ou ambiante en CO2 sous deux niveaux
de traitement azoté. Les barres verticales représentent les intervalles de confiance (n=3).
Figure 28 : Production de biomasse sèche des plantes (g plante-1, biomasse défoliée +
biomasse récoltée) et ratio racines parties aériennes, 2 et 4 jours après la coupe dans les
parcelles mono spécifiques de ray grass avec (1) ou sans (0) apport d’azote. Les barres
verticales correspondent aux intervalles de confiances (n=6).
162
Figures
Figure 29 : Concentrations en carbone et en azote, exprimées en pourcentage de la MS dans
les feuilles, les tiges, les racines, 2 et 4 jours après la coupe des plants de ray grass avec (1) ou
sans (0) apport d’azote. Les barres verticales représentent les intervalles de confiance (n=3).
Figure 30 : Concentrations en glucides totaux dans les racines, exprimée en mol. kg-1 de
carbone en équivalent hexose pour les différents traitements (0 : sans apport d’azote, 1 : avec
apport d’azote), 2 (a) et 4 (b) jours après la coupe. Les barres verticales correspondent aux
intervalles de confiance (n=3).
Figure 31 : Pourcentage de carbone (a, d) et d’azote total (b,e) ; concentration en carbone
soluble (mg.kg-1 de sol sec ; c, f) dans le sol adhérant (SA) des plantes coupées et des plantes
non coupées issues des parcelles fertilisées (1) et non fertilisées (0) après la première (a, b, c)
et la seconde récolte (d, e, f). Les barres verticales représentent les intervalles de confiance
(n=3).
Figure 32 : Carbone et azote microbien (mg C et N par kg de sol sec) pour le sol adhérent
(SA); mesure de l’activité microbienne (test glucose 14C) 14CO2 : 14C respiré (14CO2), 14CFE :
14
C de la biomasse microbienne et
14
CO2/14CFE : activité microbienne exprimée
proportionnellement à la biomasse microbienne dans le sol adhérent, Nombre de bactéries
cultivables à stratégie r (2 jours de développement) exprimée en log de CFU (Colonies
formant unités) par gramme de sol adhérent sec et indice de Shannon correspondant à la
diversité d’utilisation des substrats carbonés par les micro-organismes du sol adhérent des
plantes coupées et des plantes non coupées
issues des parcelles fertilisées (1) et non
fertilisées (0) après la première et la seconde récolte. Les barres verticales représentent les
intervalles de confiance (n=3).
Figure 33 : Nombre de fongivores (a), herbivores (b) et bactérivores (c) par gramme de sol,
dans les parcelles coupées et non coupées, fertilisées (1) et non fertilisées (0). Les barres
verticales correspondent aux intervalles de confiance. Les différentes lettres montrent des
différences significatives au seuil de 5%.
163
Photographies
TABLEAUX
Tableau 1 : Effets de quelques facteurs à impact majeur sur l'assimilation et la répartition des
assimilats dans la plante. Ces éléments bibliographiques sont tirés d'articles de synthèses et de
résultats expérimentaux.
Tableau 2 : les différentes catégories de rhizodépôts (d’après Rovira et al., 1979) selon leur
composition biochimique et leur mode de libération.
Tableau 3: Analyses statistiques de la production de biomasse (parties aériennes, racines et
totale) et du ratio de biomasse PR/PA des plantes récoltées à la fin du premier (14C) et à la fin
du second marquage (13C). Seuil de significativité 5% ; n=7.
Tableau 4: Analyses statistiques de la répartition du
13
14
C à la fin du premier marquage et du
C à la fin du second marquage dans les parties aériennes, les racines de la plante et le sol
(sol adhérent des compartiments racines et rhizosphères, le sol non adhérent du compartiment
rhizosphère et la respiration rhizosphérique) Seuil de significativité 5% ; n=7.
Tableau 5: Analyses statistiques de la répartition du 13C et du 14C dans les parties aériennes,
les racines de la plante et le sol (sol adhérent des compartiments racines et rhizosphères, le sol
non adhérent du compartiment rhizosphère et la respiration rhizosphérique) à la fin du second
marquage (histogramme (2) et (3)). Seuil de significativité 5% ; n=7.
Tableau 6 : Le tableau présente les valeurs statistiques issus de la comparaison des masses de
14
C et de 13C libérée par les racines à J3, J6, J8 et J10 après le début du marquage au 13C. Les
différences sont significatives à 5 %, n=7.
Tableau 7 : Le tableau présente les valeurs statistiques issus de la comparaison des masses de
14
C et de
13
C allouées à la respiration rhizosphérique à J3, J6, J8 et J10 après le début du
marquage au 13C. Les différences sont significatives à 5 %, n=7.
164
Tableaux
Tableau 8 : Carbone microbien du sol adhérent (SA, 5 premiers mm de sol) et du sol non
adhérent (SNA, 45mm de sol suivant) dans le compartiment rhizosphère 0, 3, 6, 8, 10 jours
après le début du marquage au 13C. La différence significative de biomasse entre SA et SNA
correspond à l’effet rhizosphère. Il est significatif au seuil de 5% (n=7).
Tableau 9 : Excès isotopique dans les différents compartiments de notre dispositif de culture
(Parties aériennes des plantes, racines, sol adhérent (SA) du compartiment racine, sol
rhizosphérique (SR) du compartiment rhizosphère) après 10 jours de marquage au carbone 13
avec un excès isotopique de 5 atom %.
Tableau 10 : Résultats des analyses statistiques des différents paramètres : production de
biomasse, répartition du
14
C, du
15
N. et carbone microbien du sol adhérent et du sol non
adhérent. Les effets CO2, azote (N) et les interactions CO2 X N sont testés et considérés
comme significative au seuil de 5%.
Tableau 11 : Flux spécifiques nets d’entrée de
14
C dans le système plante-sol exprimés en
KBq retrouvé par g-1 de parties aériennes, après l’échantillonnage d’automne pour les deux
niveaux de CO2 (CO2+ : enrichi, CO2 : ambiant) et les deux niveaux de fertilisation (56 et 14
g. m-2). Les valeurs entre parenthèses correspondent aux intervalles de confiance, n=3.
Tableau 12 : Résultats des analyses statistiques pour les différents paramètres analysés :
Production de biomasse, concentration en C et en N et ratio C/N dans les différents organes
de la plante, Concentration en carbone, azote total et carbone soluble du sol adhérent, C et N
microbien, activité microbienne (test glucose 14C), étalement bactérien et test Biolog® (indice
de Shannon).
Les effets défoliation, azote et date de récolte sont testés, ainsi que les
interactions Défoliation X Azote, Défoliation X Récolte et Azote X Récolte. Les effets sont
considérés comme significative au seuil de 5%.
165
Photographies
PHOTOGRAPHIES
Photographie 1 : Pièges à soude contenant 200ml de NaOH 1M permettant de mesurer la
respiration rhizosphérique. Il y a un piège à soude par pot.
Photographie 2 : Enceinte de marquage contenant les plantes. Ici ce sont les 24 plantes
utilisées pour l’expérimentation décrite dans le chapitre E.
Photographie 3 : Plantes cultivées pendant 28 jours en phytotron et placées dans l’enceinte de
marquage.
Photographie 4 : Le pot a été retourné et la toile de nylon découpée afin d’observer le tapis de
racine formé sur la toile de nylon à l’interface entre le compartiment racine et le
compartiment rhizosphère.
Photographies 5 et 6 : Vue d’un anneau enrichi du dispositif FACE Suisse. On peut distinguer
la présence de buse permettant la diffusion du CO2 au-dessus de la parcelle ainsi que la
présence d’un capteur de la concentration en CO2, de la vitesse du vent et de la température.
Photographies 7 et 8 : Parcelle d’expérimentation à l’INRA-SAD de Mirecourt (88). Les
photographies ont été prises après la seconde coupe. Les piquets délimitent les parcelles et
permettent de repérer plus facilement les cylindres de PVC. La parcelle est régulièrement
nettoyée de toutes mauvaises herbes.
166
Annexes
ANNEXES
ANNEXE 1 :
Au jour de la soutenance, ce travail de thèse a permis la rédaction de deux articles
scientifiques :
Bazot S., Ulff L., Blum H., Nguyen C., Robin C. (2005). Effects of elevated CO2
concentration on rhizodeposition of Lolium perenne grown on soil exposed to 9 years of CO2
enrichment. Soil Biology and Biochemistry, sous presse;
Bazot S., Mikola J., Nguyen C., Robin C. (2005). Do defoliation-induced changes in C
allocation of field-grown Lolium perenne affect C availability, microbes and microbial
feeders in soil? Functional Ecology, 19 (5), 886-896.
Ce travail a également permis la présentation de 5 communications et posters présentés dans
des réunions et colloques internationaux:
Bazot S., Ulff L., Blum H., Nguyen Ch., Robin Ch. (2003). Présentation de la problématique
de thèse : transferts de carbone dans le système-plante-sol-micro-organismes. Séminaire de
l'Ecole Doctorale RP2E, 23 janvier 2003, Nancy (France).
Bazot S., Ulff L., Blum H., Nguyen Ch., Robin Ch. (2003). Effet de l'augmentation de la
concentration en CO2 de l'atmosphère sur la libération de carbone dans la rhizosphère d'une
graminée prairiale : le ray grass (Lolium perenne). Cinquièmes Journées d'Ecologie
Fonctionnelle, 12-14 mars, Nancy (France).
Bazot S., Ulff L., Blum H., Nguyen Ch., Robin Ch. (2004). Carbon partitioning into rye grass
(Lolium perenne) plant soil micro organisms system after 9 years of Free-air CO2 enrichment.
International FACE Workshop 20 - 25 March 2004, Ascona (Suisse).
Bazot S, Tavernier J, Plantureux S., Robin Ch. (2004). Carbon partitioning into plant soil
system of rye grass (Lolium perenne) sward after defoliation. EGF 2004 General Meeting,
Land use systems in grassland-dominated regions. 21-24 June 2004, Luzern (Suisse).
167
Annexes
Bazot S., Tavernier J., Mikola J., Robin Ch. (2004). Pattern of carbon allocation in the
rhizosphere of rye grass (Lolium perenne) plant after defoliation. Proceedings 4eme colloque
Rhizosphère, 12-17 Septembre 2004, Munich (Allemagne). A. Hartmann, M. Schmid, W.
Wenzel, Ph. Hinsinger (Eds), p 201.
168
Annexes
ANNEXE 2 : Calcul de l’analyse a posteriori de l’abondance isotopique en
13
C de l’atmosphère dans l’enceinte de marquage des plantes :
Afin de déterminer l’excès isotopique de l’air de la chambre de marquage, un circuit fermé
permet, pendant le marquage, de piéger l’air de la chambre dans 100ml de NaOH 1M pendant
30 min. Cette opération est répétée 3 fois chaque fois que le marquage au 13C est réinitialisé.
δ13C
atmosphère moyen (moyenne de 6 échantillons) = 3488 (donnée de l’analyse au
spectromètre de masse (analyse effectuée par le laboratoire Isotope de l’université de Davis
(USA).
R atmosphère = 0,050434 (1)
A% atmosphère = 4,80 (atom %) (2)
Formules utilisées :
(1) R= ((
δ13C échantillon
1000
) +1) X 0,0112372
R échantillon
(2) A% = (
R échantillon + 1
) X 100
169
Annexes
ANNEXE 3 : Test de validation de l’utilisation du liquide scintillant
ULTIMA-FLO (Packard, USA).
Nous avons observé lors du passage au compteur à scintillation liquide du mélange K2SO4
(issue de l’extraction-fumigation) liquide scintillant de type Ultima Gold (Packard, USA) une
séparation rapide du mélange en deux phases, le K2SO4 se retrouvant en dépôt au fond du tube
de comptage. La mesure de la radioactivité est alors faussée. Par conséquent nous avons testé
différent liquide scintillant dont l’Ultima Flo (Packard, USA). Le K2SO4 reste en suspension
dans le liquide scintillant ce qui permet une stabilité de la mesure de radioactivité dans le
temps (60h).
250
200
DPM
150
100
50
0
0
10
20
30
40
Tem ps (heures)
170
50
60
Annexes
ANNEXE 4 : Calculs préliminaires permettant d'évaluer la pertinence d'un
double marquage en abondance naturelle de plantes avec deux atmosphères
ayant une signature isotopique différente :
Durée du marquage : 10 jours
δ13C du sol de culture choisi : -12‰
δ13C atmosphère 1 : -45‰
δ13C atmosphère 2 : +200‰
δ13C théorique des exsudats issus des plantes évoluant dans l’atmosphère 1 : -45-20=-65‰
Masse de sol : 20g
Masse théorique totale d’exsudat produit : 0,014g soit 0,0014 mg d’exsudat produit par jour.
Base du calcul 70µg de C. g-1 de sol sont libérés chaque jour et 20g de sol adhérent par plante.
Marquage atmosphère 1 pendant 10 jours
R sol = 0,011102 (1)
Abondance isotopique du sol A% = 1,098044 (2)
R exsudats = 0,010506 (1)
A% exsudats = 1,039753 (2)
Masse 13C sol (mg) = 219,6088 (3)
Masse 13C exsudats (mg) = 0,143337 (3)
Quantité 13C exsudats + sol (mg) = 219,7522
A% exsudats + sol = 1,098020 (4)
Marquage atmosphère 2 pendant 10 jours
δ13C sol = δ13C exsudats + sol en fin du marquage 1 = -12,022268 ‰ (5) (6)
δ13C des exsudats = 200-20= 180 ‰
R sol = 0,011102
171
Annexes
A% sol = 1,098020
R exsudats = 0,013259
A% exsudats = 1,30863721
Masse 13C sol (mg) = 219,6040
Masse 13C exsudats (mg) = 0,176666
Quantité 13C exsudats + sol (mg) = 219, 7806
A% exsudats + sol = 1,098162
Au vu de ces résultats il apparaît très clairement qu’il est difficile de discriminer le carbone
issu des deux atmosphères tellement la variation de l’abondance isotopique du mélange
exsudats + sol est faible.
Formules utilisées :
δ13C échantillon
(1) R= ((
1000
) +1) X 0,0112372
R échantillon
(2) A% = (
R échantillon + 1
(3) Masse 13C =
(4) A% =
) X 100
Masse échantillon X A%
100
Masse de 13C échantillon X 100
Masse de l’échantillon
145
172
Annexes
(5) R =
A%
(100-A%)
R
(6) δ13C = R - 1 ) X 1000
PDB
173
ANNEXE 5 : Définition et mesure de la capacité au champ
La capacité au champ correspond à l’eau retenue par le sol après une période de pluie et un
ressuyage de deux jours, le sol étend protégé contre l’évaporation, elle comprend donc l’eau
capillaire augmentée d’une fraction variable d’eau de gravité à écoulement lent (Duchaufour,
1997).
Un pot contenant une masse connue de sol frais est saturé d’eau par immersion dans un bac.
Après 24 heures, de l’eau s’écoule lorsque le pot est retiré du bac. Le pot est alors mis à
ressuyer. Après 48 heures l’écoulement d’eau s’est arrêté. Le sol a atteint son point de
ressuyage, il est à 100% de la capacité au champ. Il est ainsi possible d’estimer le pourcentage
d’humidité de ce sol à 100% de la capacité et champ, et de calculer ensuite le pourcentage
d’humidité du sol et donc la masse de sol à 60% de la capacité au champ.
Calcul :
a. Compartiment racine :
Volume pot : 237 L
Densité du sol : 1,3 kg de sol sec. L-1
Masse de sol sec dans le pot : 308 g
A 100% de la capacité au champ on a 20% d’humidité soit une masse de sol de 370g.
A 60% de la capacité au champ on a alors 12% d’humidité soit une masse de sol de 345 g.
b. Compartiment rhizosphère :
Volume pot : 118 L
Densité : 1,3 kg de sol sec. L-1
Masse de sol sec dans le pot : 154g
A 100% de la capacité au champ on a 20% d’humidité soit une masse de sol de 185g.
A 60% de la capacité au champ on a alors 12% d’humidité soit une masse de sol de 172g.
174
ANNEXE 6: Publications
175
SUMMARY
The aim of our work was to study C fluxes in plant and to rhizosphere of Lolium perenne in
order to explain the relation between plant functioning and rhizodeposition.
In a first part, we have determined the contribution of recently assimilated carbon to
rhizodeposition. We have developed a double long-term labelling of plants shoots (14CO2 and
13
CO2) in order to estimate partitioning of recent C and older assimilated C in plant and
rhizosphere compartment. In contrast to previous results, older C, probably coming from
remobilisation of reserve compounds, contribute significantly to rhizodeposition.
In a second part, we have evaluated, with field trials, the influence of constraint affecting
plants shoots on recently assimilated C fluxes to rhizosphere (elevated CO2, defoliation). Soil
nitrogen availability is the driving force of plants responses to elevated CO2 or defoliation. In
autumn, a decrease of C rhizodeposition is observed for plants submitted to elevated CO2.
Organics compounds released by roots are mineralised faster under elevated CO2 than under
ambient CO2. Defoliation involved any change in C availability in the rhizosphere, suggesting
any significant influence of this factor on rhizodeposition.
Interactions between environmental and management factors determined plant functioning
and modulated C fluxes from roots which give rhizodeposition difficult to predict and to
model. Net effect of elevated CO2 or defoliation on rhizodeposition are less significant under
field conditions than under controlled conditions. More than quantitative contribution of
rhizodeposition to soil C pool, interactions between biochemical composition of rhizodeposits
and soil biological activity need to be complete.
KEYS WORDS :
Rhizosphere, rhizodeposition, Lolium perenne, carbon, elevated CO2, defoliation, long term
labelling and pulse labelling, 14C, 13C, 15N, rhizodeposition indicators.
176

1227746

1230333

1226107

1226742

1227727

1230703

1228562

1226816

1226053

1228966

1233207